电影里的车轮为什么是倒着转的？

本文来自微信公众号：把科学带回家（ID：steamforkids），作者：万物，题图来自：视觉中国

电影里的车轮为什么是倒着转的？

图源：pixabay

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”（wagon-wheel effect），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。

在下面这张示意图中，小编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。

“车轮效应”示意图，小编绘

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。

不仅是在摄像机中，在频闪灯光，比如日光灯（每秒闪烁100次左右）下也可观察到类似现象。利用这些频闪效应，还能制造出不少有趣的视错觉体验。

车轮效应——普通版

车轮效应——进阶版（静止）

为什么汽车能倒车，自行车不能倒骑？

图源：pixabay

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。

自行车结构示意图（飞轮位于后轮轴上），图源：维基百科

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，轮胎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。

 飞轮简化示意图 | 图源：Wikipedia

从上图的飞轮结构中，你可以看到一个红色的棘爪（又称为千斤），嵌在飞轮内缘的棘齿槽中。正常骑车时，上图飞轮逆时针旋转，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。但是当上图飞轮顺时针旋转时，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，它们采用的结构就与一般自行车不同了。即使自行车可以倒骑，在日常生活中这么做也相当危险，所以骑过头了还是调个头比较稳。

陀螺转到最后为什么会倒滚？

图源：pixabay

转完了汽车轮和自行车轮，如果你还没晕，咱们就再来转个小的。

玩儿过陀螺的小伙伴可能会遇到这么一种情况——陀螺转到最后，快撑不住的时候竟然来了一波反向操作，倒滚了几圈了才停下。按常理来说，陀螺就算倒下也理应顺从惯性，沿着旋转方向滚动，怎么会突然反转呢？

这种现象确实存在，产生的原因与陀螺自身特点和地面的材质有关，最关键的一点是陀螺与地面都不能太过光滑。

当陀螺转啊转，终于累得慢下来，便会失去平衡，旋转着倒向地面。此时，陀螺与地面的接触面积突然增大，地面对陀螺的摩擦力也随之大增，方向与陀螺转动方向相反。如果陀螺无法克服这个摩擦力，它的前进就会受到阻碍。同时，陀螺在倒地瞬间与地面的接触点会产生微小的形变，这个形变就像弹珠撞击地板一样会带来反弹作用，再加上陀螺自身形状的特点，便让它整个朝反方向滚去，但自转方向并不会反转。

视频来源：

1. https://www.youtube.com/watch?v=VNftf5qLpiA

2. https://www.youtube.com/watch?v=Ce_jRfM9b4k

3. https://www.youtube.com/watch?v=CaiIZI1oe40

本文来自微信公众号：把科学带回家（ID：steamforkids），作者：万物