滑差轴配件(电影里的车轮为何倒着转？自行车为何不能倒骑？这些小知识都是正经科学问题)

Posted 2023-06-01

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滑差轴配件(电影里的车轮为何倒着转？自行车为何不能倒骑？这些小知识都是正经科学问题)

示意图

视觉中国供图

在生活中，汽车轮胎、自行车轱辘都是人们司空见惯的东西，你可能每天都会见到它们在路上旋转、奔驰，但是在这看似普通的旋转中，却藏着一些你不知道的科学小知识。

下面就跟着我们一起，了解一下这些科学“转圈圈”吧！

电影里的车轮为什么看起来是倒着转的

看电影时，大家不仅会关注剧情，还乐于找出各种穿帮镜头。经常有小伙伴会发现这么一个“bug”——向前行驶的车轮怎么是倒着转的？实际上，这并不是特效出bug，反而是拍摄了真车才会出现这种现象，它还有个专用名——“车轮效应”，属于频闪效应的一种。

当现实中的汽车高速行驶时，我们的眼睛根本来不及捕捉车轮辐条的滚动，只能看到它们糊成一片。而电影画面则是摄像机对现实画面的捕捉，这个捕捉过程并不像我们看到的那样连续，摄像机更像是一个快速连拍的相机，只要足够快，就会让我们的大脑反应不过来，自动把它们脑补成连续画面，这就是“视觉暂留”现象。

基于人类视觉的这一局限性，拍摄电影的摄像机通常设置为每秒拍摄24个画面，也就是24帧/秒的帧率。所以我们在电影中看到的车轮旋转画面已经是“删减”版了，仅由摄像机抽取的画面组成。最终呈现的视觉效果则取决于摄像机的帧率、车轮的转速以及辐条的排布方式。

示意图里将车轮的辐条简化成均匀分布的4根，其中1根涂红作为标记物。辐条之间的夹角设为α，红辐条顺时针方向角度变化设为θ。

假设这个车轮在顺时针旋转，摄像机第一次捕捉到它的画面在图1位置，第二次在图2位置，那么这个车轮旋转过的角度应该是n圈+θ（n为自然数），但在我们的眼睛看来，它就只是顺时针旋转了θ。同理，若旋转角等于nα，如图3位置（θ=α）时，车轮看上去会是静止不动的。而在图4中，θ角接近360°，可我们的大脑并不想费劲地绕个大弯，于是便就近地认为辐条是逆时针转了360°-θ的小角度。

总而言之，和我们做数学题时的逻辑分析不同，眼睛只管自己看到了什么，大脑也总是倾向于选择最轻松的解读方式。利用这种“车轮效应”，还能制造出不少有趣的视错觉体验。

汽车能倒车为什么自行车不能倒骑

虽说“车轮效应”是种视错觉，但现实中的汽车轮胎还是有倒转的情况，没错，就是倒车。倒车说来容易，可却没见过哪辆自行车能倒骑的，除非你下车推。

自行车的后轮毂上安有由链条和齿轮组等部件构成的传动装置，当我们向前蹬脚踏板时，会驱动链轮旋转，链轮上的链条随之转动，带动后轮轴上飞轮等部件旋转，这样后轮就带着前轮骨碌碌地向前滚了。

然而，当你试图反方向蹬踏板时，链条却会变得很松，无论你怎么蹬，车轮都不会有丝毫倒转的倾向。原因就在于自行车的飞轮是一种“单向机构”，只能单向运作。

在自行车的飞轮结构中，棘爪（又称为千斤）会嵌在飞轮内缘的棘齿槽中。正常骑车时，飞轮逆时针旋转，棘齿槽会卡住棘爪，将转动力通过棘爪传给后轴，进而带动后轮转动。但是当飞轮顺时针旋转时，棘爪和棘齿就会滑开，没有了它们的配合，自行车便会失去动力。这就是为什么自行车只能单向骑行。

不过，用于表演杂技的一些特殊自行车确实有能倒骑的，但它们采用的结构就与一般自行车不同了。