彭博成

【摘 要】喜歡觀察的人時(shí)常會(huì)看到汽車或火車向前行駛，但汽車輪卻向后轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象。同學(xué)們聚會(huì)聊天時(shí)提到了這個(gè)話題，但是當(dāng)時(shí)卻沒人能對(duì)這個(gè)問(wèn)題做出圓滿的解釋。這使我產(chǎn)生了強(qiáng)烈的欲望，查了很多的資料，思考加整理分析，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)這個(gè)問(wèn)題做了科學(xué)的解釋，希望能對(duì)那些平時(shí)喜歡觀察但又知其然而不知其所以然的同學(xué)有所幫助。

【關(guān)鍵詞】車輪;視覺反轉(zhuǎn);原理分析

在日常生活中，我們經(jīng)常會(huì)看到汽車或火車向前行駛，但汽車輪卻向后轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象。在電視中也經(jīng)常見到這一現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生實(shí)際是由人眼的視覺暫留現(xiàn)象引起的，先分析如下：

一、定性分析

人眼在觀察景物時(shí)，光信號(hào)傳人大腦神經(jīng)，需經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間，光的作用結(jié)束后，視覺形象并不立即消失，仍保留一段時(shí)間的現(xiàn)象，視覺的這一現(xiàn)象則被稱為“視覺暫留”。其原因是由視神經(jīng)的反應(yīng)速度造成的，其時(shí)值是二十四分之一秒。

任何儀器設(shè)備都有自己的測(cè)量范圍—量程，當(dāng)被測(cè)信號(hào)在儀器的量程以內(nèi)時(shí)，測(cè)量的結(jié)果是準(zhǔn)確的;當(dāng)被測(cè)信號(hào)在儀器測(cè)量量程以外時(shí)，測(cè)量結(jié)果就會(huì)和實(shí)際信號(hào)不一致，產(chǎn)生很大誤差。人眼也是一樣，當(dāng)被觀測(cè)對(duì)象屬于人眼視覺神經(jīng)能正確感知的范圍以內(nèi)時(shí)，其視覺形象是真實(shí)的，當(dāng)被觀測(cè)對(duì)象在人眼視覺神經(jīng)能正確感知的范圍以外時(shí)，其視覺形象就會(huì)與被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生很大的偏差。因此，由于視覺暫留，當(dāng)進(jìn)入人眼視覺神經(jīng)信號(hào)的變化頻率在24赫茲以下時(shí)，在大腦神經(jīng)中產(chǎn)生的視覺形象和實(shí)際信號(hào)是一致的，當(dāng)信號(hào)的變化頻率大于24赫茲時(shí)，視覺形象和實(shí)際信號(hào)不一致。我們平時(shí)觀察到的車輛向前行駛而車輪卻向后轉(zhuǎn)動(dòng)就是由于視覺暫留產(chǎn)生的視覺錯(cuò)誤。設(shè)我們所觀察的汽車向右行駛，在某一時(shí)刻我們看到車輪某輻條在某一位置，經(jīng)過(guò)二十四分之一秒后，我們觀察到有一輻條在反時(shí)針方向離前述位置的夾角比順時(shí)針方向的輻條的夾角大，則觀察到車輪是順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，即車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和汽車前進(jìn)的方向一致;若觀察到該輻條在反時(shí)針方向離前述位置的夾角比順時(shí)針方向的輻條的夾角小，則我們看到車輪是反時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，即車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向與汽車前進(jìn)的方向相反，即觀測(cè)到車輪視覺反轉(zhuǎn)。電視中看到的車身運(yùn)動(dòng)方向和車輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的現(xiàn)象是由電視攝像機(jī)攝像頻率引起的。由于攝像機(jī)是以一定的頻率拍攝圖片的，在相鄰兩次拍攝圖片中，如果第二幅圖片中的輻條的位置與第一幅圖片中相近的輻條形成順時(shí)針夾角，在電視中回放時(shí)，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和車身前進(jìn)的方向相同;如果形成反時(shí)針夾角，則在電視回放中，出現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向和車身前進(jìn)方向相反的現(xiàn)象。

二、定量分析

車輪出現(xiàn)視覺反轉(zhuǎn)現(xiàn)象與車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和車輪的輻條數(shù)目有關(guān)。為分析方便，下面以兩幅條車輪為例。在設(shè)汽車以速度v向右行駛，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω=，時(shí)輻條與x軸的夾角θ=0，則當(dāng)t=秒時(shí)，輻條與x軸間的夾角為θ=。當(dāng)θ位于第一象限或第三象限時(shí)，該輻條的位置與x軸的夾角小于另一輻條與x軸的夾角，且在反時(shí)針方向，車輪視覺反轉(zhuǎn);當(dāng)θ位于第二象限或第四象限時(shí)，該輻條的位置與x軸的夾角小于另一輻條與x軸的夾角，但在順時(shí)針方向，車輪視覺正轉(zhuǎn)。即當(dāng)nπ<θ=<π（n=0，1，2，|）時(shí)，車輪視覺反轉(zhuǎn)。也即汽車的行駛速度24nπr<v<12（2n+1）πr （n=0，1，2，|）時(shí)，我們就會(huì)觀察到汽車向前行駛，車輪向后反轉(zhuǎn)的想象。當(dāng)汽車行駛的速度不在上式的范圍以內(nèi)時(shí)，不會(huì)觀察到車輪視覺反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。具體說(shuō)來(lái)就是當(dāng)汽車行駛的速度在v<24πr時(shí)，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向與車身前進(jìn)的方向相同;但當(dāng)24πr<v<36πr時(shí)，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向與車身前進(jìn)的方向相反，即發(fā)生車輪視覺反轉(zhuǎn)現(xiàn)象;當(dāng)汽車的速度為36πr<v<48πr，車身運(yùn)動(dòng)方向與車輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同;而當(dāng)車身的速度為48πr<v<60πr時(shí)，又出現(xiàn)車輪視覺反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。以此類推，在車身前進(jìn)的速度不斷變化的過(guò)程中，車輪視覺正轉(zhuǎn)現(xiàn)象和視覺反轉(zhuǎn)現(xiàn)象交替出現(xiàn)。

（作者單位：邵東一中）