自行车如何保持平衡

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  牛顿说:“我可以计算出天体运行的轨道,却无法计算人性的疯狂。”这句话的大意是,科学的问题好解决,人性的深邃却难以把握。但对于自行车如何保持平衡的问题,即使众多科学家求索了几百年,也始终无法说清其原理。

  自行车是18世纪末法国人发明的,与其他现代交通工具一样,自行车也经过了几代的改良。最初的自行车没有脚踏板,也没有转向功能,前行要靠脚蹬地,转向需抱住车体。直到德国的德莱斯发明出了可以控制方向的车把,英国的劳森发明了机械装置,自行车才逐渐有了今天的样子。所以,自行车并不是根据精密的物理学、数学理论公式设计出来的产物,而是人们在实践中不断改良产生的。
  在近代物理学高速发展的同时,科学家们便开始研究自行车是如何保持平衡这一问题。但是,科学家们经过研究发现,生活中看似简单的自行车,其保持平衡的原理竟然无法用现有的科学理论进行解释。
  在19世纪末,有科学家提出观点:自行车的平衡原理是“陀螺效应”。这个观点认为,高速旋转状态下的陀螺,无论遇到怎样的外力干涉,它的平衡都很难被破坏。这是因为物体在快速旋转状态下,会产生一种名为“角动量”的物理概念,自行车也一样。只要轮胎的旋转速度足够快,不管自行车上是否有人操控,车身都会保持一个几乎恒定的方向平移前进,这也是速度越快的自行车突然转向时越容易翻车的原因。
  在众多理论中,“陀螺效应”的支持者最多,且在学术界作为主流理论存在了几十年,但是在20世纪70年代,这个理论被一个叫琼斯的人推翻了。琼斯在《今日物理》杂志上发表了一篇文章,这篇文章介绍了一个实验,实验设计了一款自行车,这辆自行车的特别之处在于,它有一大一小两个前轮,大前轮在小前轮的传动下,会以不同的旋转方向转动。也就是说,两个轮子的角动量是完全相反的,并且相互抵消,但是自行車依然可以平衡地骑行,这辆自行车成功地在理论上否定了“陀螺效应”。紧接着,琼斯提出了一个新理论——“前轮尾迹”理论。
  简单来说,“前轮尾迹”理论是因为车轮轴心比车的方向把手更靠前,当车倾倒时,车头也会朝同一个方向歪掉。这就意味着,在行进时,倾倒的自行车靠着歪掉的车头,把重心改回到了自行车重心的下方,从而保持平衡。
  “前轮尾迹”理论听起来也有一定的道理,很多人以为这个问题可以就此终结,但是在2011年,又有研究者挑战了“前轮尾迹”,同时否定了“陀螺效应”。该研究者制作了一辆特制的自行车,这辆自行车可以不靠人体掌控自行保持平衡,它的特别之处有两点:它有四个轮子,同时前轮的轴心比车把靠后。前轮、后轮分别由两个轮子组成,而这两个轮子的旋转方向是相反的。也就是说,前后轮的角动量都被抵消了,而车把比前轮靠后,意味着靠“前轮尾迹”改变车体重心,从而保持自行车平衡的理论也就站不住脚了。所以,“陀螺效应”和“前轮尾迹”这两个理论都被推翻了。
  后来,科学界又提出了很多解释自行车为何能保持平衡的理论,但是没有一个能准确解释其原理。于是,这一问题至今仍然困扰着全世界的研究者们。
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