[科普中国]-神奇的Halfbike：站着骑的自行车

2014年，美国年青建筑师克列诺夫（M.Klenov）和安格洛夫（M.Angelov）向公众展示了一个被称为“Halfbike”的有趣产品。这个看起来有些怪异的设计将一辆普通自行车大修大改，去掉了车身和坐垫，精简得只剩下带前轮的前叉、踏板和两个小后轮。虽然轮子数目比一般自行车还多了一个，但后轮很小又能折叠，整个体积缩小了一半。没有坐垫不能坐骑，骑车人只能站立蹬踏板，靠身体动作控制方向。骑这种车一定很累，但从锻炼协调性和平衡能力的观点考虑，Halfbike不失为一种新潮的运动器具。

比较下图就能发现，新出现的“Halfbike”与19世纪风行欧美各国的“高轮车”何等相似。1870年英国人斯塔利（J.K.Starley）发明了这种被戏称为“1又1/4便士（Penny-farthing）”的高轮车。因为高大的前轮带一个矮小的后轮恰似一个大硬币配一个小硬币。将大轮缩小，小轮增加成两个，车架和后轮之间装上特殊设计的联结铰，古典的高轮车就演变成新潮的Halfbike。

Halfbike

19世纪的高轮车

从力学观点分析，Halfbike与普通自行车最大的差别是没有车架，而是将固定前轮的前叉作为车身直接与后轮联结。如车身向两侧倾斜，并列的双后轮要保持与地面接触，不允许随车身一同倾斜。车身与后轮的联结必须为二自由度万向铰，才能保证车身连同前轮仍具有相对后轮的倾斜和转向两个转动自由度。
普通自行车由于前叉转轴倾斜引起地面正压力的附加力矩而导致所谓“脚轮效应”，成为影响自行车稳定性的重要因素。由于上述构造差异，Halfbike不存在这种附加力矩，脚轮效应也就不存在了。

Halfbike简化的受力图

从网站上公布的视频可以看出，骑车人利用身体左右晃动就能灵活改变行进方向。这种特殊的操纵方式就是靠上述特殊构造得以实现的。假设骑车人向左侧晃动，使人车系统的质心向左侧产生短暂的加速度。车体以一个速度匀速行进时，地面对前后轮沿水平轴的切向摩擦力自行平衡。由于质心沿垂直轴无运动，重力与法向支承力的平衡也不受影响。
上图为简化的的受力图，上述保持平衡的重力、法向支承力和切向摩擦力均予省略，仅绘出侧向摩擦力使表达更为清晰。摩擦力成为维持曲线运动的向心力，车体得以沿曲线轨迹稳态行进。当骑车人向右回归原位时，必出现短暂的反向加速度，侧向摩擦力与相关的力矩和角加速度均随之反向。车体与前轮绕轴的角速度从增长转为下降。当减至零时车体恢复直行。

Halfbike的另一特点是用前轮驱动代替了普通自行车的后轮驱动。蹬车加速时前轮的摩擦力向前，后轮的摩擦力向后，与普通自行车恰好相反。前轮的驱动力扣去后轮的摩擦力，与骑车人加速产生的惯性力构成一对力偶，使前轮的正压力减小。如加速度过大，以致正压力减小到零时，前轮即解除约束离地使车身向后倾翻。不过实际上这种可能性并不大，因为站着骑车的人不大可能使车子加速到这种程度。
停止蹬车使车子自由滑行时，前后轮的摩擦力都向后，与骑车人减速的惯性力构成力偶使后轮的正压力减小，车身可能向前倾翻[4]。古典高轮车为提高前进速度加大了前轮直径，却给重心高高在上的骑车人带来了减速导致前翻的危险。这也是后来高轮车朝低轮化发展的重要原因。Halfbike的前后轮都明显缩小，骑车人的重心低了许多，在减速度不太大的一般情况下这种危险性可得以避免。
Halfbike的出现打破了自行车延续两百多年的传统结构和骑车方式，问世以来颇受年轻族群的青睐。两位发明人同属一个称作Kolelinia的研究室，是一群年轻人组成的致力于探寻新型城市交通系统的发明团队。Halfbike虽不能替代传统自行车，但改革者对传统概念的破除和创新改革的勇气和精神却很值得赞扬和提倡。