【英才方案学员录】司楚扬：角动量使自行车学会了“竖立行走”

角动量使自行车学会了“竖立行走”

司楚扬

司楚扬，2021级英才方案物理学科学员，就读于山东省尝试中学，师从山东大学郑雨军教师，完成了“自行车侧倾时若何动弹车把调整平衡的战略研究”项目，获得济南市青少年科技立异大赛一等奖（目前在申报省赛）。

我的项目选题源于一次突发奇想。身边良多同窗都讨论过幼时进修骑自行车时，因自行车较大，本身脚无法撑地，最初跳车摔跤或被车砸到的履历。有次周末骑单车时，妈妈开打趣说要不你研究一下缺一条腿怎么连结平衡也能骑单车，那突然让我萌发出了能否能够连系所学的力学和运动理论，研究如何不消脚点地支持，而仅仅靠调整动弹车把就能够使车身回正连结平衡的办法，如许小伴侣们学自行车时就不会再因为脚撑不到地而受伤了。与导师参议事后确定了我的课题“自行车侧倾时若何动弹车把调整平衡的战略研究”。研究过程中，更先碰着的困难是模子成立。在高中阶段接触的标题问题根本不涉及模子的成立和简化，凡是都是间接给模子或仅要求简单的建模过程。此次要求把自行车非常复杂的机械构造化简化成一个我有才能处置的模子，那对我是个很大的挑战。起首我便在自行车前叉、车头碗组等构造中不知若何下手研究，后来在找φ值与半径的关系时，又纠结于自行车转弯时前后两部门如何走差别半径的圆、若何彼此感化使前后轮回到一条线等问题。

在导师的批示和本身对问题的不竭深进摸索中，我最末完成了模子成立。半途在计算半径的时候，得到一个极其复杂，根本看不出法例的式子，我意识需要对模子停止调整，对着自行车的示企图往找更便利计算的常量，在几次测验考试后我得到了最末的模子，不只比之前的更契合实在情状，关系式也简化了良多。那段不竭打磨一个模子的履历教会了我在成立模子时必然要“不忘初心”，明白模子的意义，以到达目标为中心思惟建模，不克不及盲地对着每一个细节考虑保留与否，应该先提取要到达目标最根本构造，搭起框架后再把现实中的一个个细节对应填充到模子里。

成立适宜的模子后，定性阐发、定量计算等环节都相对顺利，然后就碰着了项目中困住我最长时间的一个难题——微分方程。

通过角动量定理等公式再与几何关系联络，导出来一个关于θ的微分方程。先是对方程停止初步化简，并测验考试用竞赛中进修的一些解常见微分方程的办法求解之后，无法地发现那个微分方程不是通俗接触的简谐运动式微分方程。我又查阅了一些微积分课本，也没有找到那个方程的通解。于是我拿着方程领导师请教，导师也表达很难求得解析解，并为我讲解了求微分方程数值解的可能办法，还选举了搀扶帮助我求解方程的软件obtave和mathematica，那对我后续的研究供给了很大的搀扶帮助。

在我设想出来调整计划并理论验证后，就起头动手尝试。自行车的构造非常复杂，以至到如今关于自行车的平衡问题照旧存在争论，招致尝试很难设想，如何做到将调整过程理论化而且简单化是一个很大的挑战，课题组的彭勇刚教师介绍了一位擅长设想尝试的教师搀扶帮助我。与教师碰头后，我先提出了几个困住我的次要问题，好比如何连结转角φ稳定?如何实现速度稳定?如何能够笔录下θ的改变？基于那几个问题，我们起头了尝试设想的讨论。我们一路讨论了良多计划，好比用马达掌握自行车连结匀速，用持续电击掌握车把动弹标的目的，用绳子绑住车把使自行车标的目的固定等。颠末几个小时的讨论，最末确定了一个可能的计划。因为尝试室处所比力小，也没有较大的平整空中让我停止尝试，所以我在广场上用儿童自行车停止模仿，给自行车一个初始的倾角θ、转角φ和速度v，从侧面和俯视角度别离拍摄自行车倒下的画面，用tracker软件逃踪自行车倾角θ的改变，绘造成图表再与我的理论图相对应。

上述三个难题能够说是此次英才方案项目中让我印象最深的部门，但同时，处理难题的过程也赐与了我良多收获。

之前历来没有履历从抉择课题、聚焦详细问题、规划研究、成立并简化模子、定性定量研究到得到初步关系的过程，此次在导师的教诲下完全地履历了一遍，使我深入地体味到了该若何处置一个问题。次要有以下几个步调：发现问题、聚焦详细切进点、规划研究标的目的和方案、挠住现实事物素质并简化建模、根据模子停止研究、总结所得并得出结论。

我是从高中才起头进修物理竞赛的，固然学了良多物理常识和定理，但只是停留于一道道笼统的标题问题，其实不理解那些常识有什么用，科学家为什么发现和研究那些物理定理，英才方案的平台给我一个把所学的物理常识利用于现实生活现象的时机，在导师的引导下我一步步进修并测验考试着运用那些笼统的公式往阐明生活中现实存在的问题，让我对项目顶用到的每一条定理都有了新的熟悉。此次的项目研究像是为我翻开了新世界的大门，让我亲身体味到物理不但是能够处理一道道别致的标题问题，更是一门适用的学科，每一个看起来“不吃烟火食”的公式定理，都有它利用的现实范畴和具象化的价值。

停止项目研究的时候，我也不断存眷着那一范畴的停顿，结识了一些情投意合的伴侣。在我被微分方程困住而思疑本身研究结论的时候，看到了b站up主“稚晖君”胜利造出主动驾驶单车的新闻，而且欣喜地发现，他也认为自行车发作摆布倾倒的时候应该通过调整车把标的目的产生的惯性离心力来使自行车恢复平衡，也用到了角动量平衡方程，与我的构想大同小异，让我看到了项目进一步与机械工程连系的前景。

感激英才方案项目，感激郑雨军导师和彭勇刚教师的悉心教诲，此次英才之旅让我离我的梦想更近了一步。在项目完毕之际，我愈加勇敢了面试时的梦想——我要成为人类科研那个浩荡的火箭上一颗小小的螺丝钉！