荷蘭達(dá)爾福特大學(xué)設(shè)計(jì)了一款自行車模型，沒有陀螺效應(yīng)和前輪尾跡，在無(wú)人操縱的條件下，也一樣可以平穩(wěn)行駛。
200 年來(lái)，為解開這個(gè)謎團(tuán)，許多物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家孜孜不倦地研究自行車穩(wěn)定性的原理所在，以期尋求一個(gè)合理的解釋，他們發(fā)表了近百篇文獻(xiàn)，提出了各種可能。
可能性之一：陀螺效應(yīng)
自行車前輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的離心力會(huì)幫助保持自身平衡，就像抽動(dòng)旋轉(zhuǎn)的陀螺時(shí)，陀螺會(huì)圍繞著它的軸保持旋轉(zhuǎn)方向的慣性一樣。
在對(duì)自行車穩(wěn)定性的解釋中影響比較大的一種說(shuō)法是自行車前輪的陀螺效應(yīng)，以至于在許多通俗讀物中都以這種觀點(diǎn)來(lái)解釋自行車的穩(wěn)定性。
1911 年，德國(guó)數(shù)學(xué)家克萊因和物理學(xué)家索莫菲爾德在陀螺力學(xué)著作中用陀螺效應(yīng)解釋自行車的穩(wěn)定性。陀螺效應(yīng)就是旋轉(zhuǎn)著的物體具有和陀螺一樣的性質(zhì)。“通俗地講就是轉(zhuǎn)動(dòng)物體具備維持原有轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的慣性，就如牛頓第一定律（慣性定律）描述直線運(yùn)動(dòng)的慣性一樣。”中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院余永亮教授如是說(shuō)。
物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的離心力會(huì)幫助保持自身平衡，就像抽動(dòng)旋轉(zhuǎn)的陀螺時(shí)，陀螺會(huì)圍繞著它的軸保持旋轉(zhuǎn)方向的慣性一樣。
可能性之二：離心力效應(yīng)
當(dāng)自行車往一側(cè)傾斜時(shí)，騎車人就會(huì)將前輪轉(zhuǎn)向同一側(cè)，由于前輪轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，自行車就會(huì)沿著傾斜側(cè)的圓周行進(jìn)，這時(shí)離心力向圓周外，就會(huì)將自行車扶正。
1948 年，美國(guó)力學(xué)家鐵木辛科和楊在他們所著的《高等動(dòng)力學(xué)》一書中，對(duì)自行車穩(wěn)定性問題作出了離心力效應(yīng)的解釋。他們認(rèn)為，當(dāng)自行車往一側(cè)傾斜時(shí)，騎車人就會(huì)將前輪轉(zhuǎn)向同一側(cè)，由于前輪轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，自行車就會(huì)沿著傾斜側(cè)的圓周行進(jìn)，這時(shí)離心力向圓周外，就會(huì)將自行車扶正。
余永亮表示，普通自行車具有自穩(wěn)定的特性，通常講，穩(wěn)定性與速度快慢是有關(guān)系的。通常速度越大，慣性也越大，穩(wěn)定性也越好，所以在速度較高的時(shí)候，騎車熟練的人可以不用雙手控制車把。
可能性之三：腳輪效應(yīng)
1970 年 4 月，英國(guó)化學(xué)家、科普作家大衛(wèi)?瓊斯在《今日物理》上發(fā)文質(zhì)疑陀螺效應(yīng)，他給自行車增加了一個(gè)與前輪并列反向旋轉(zhuǎn)的副車輪，以消除陀螺力矩。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，改裝車的行駛穩(wěn)定性與一般自行車無(wú)異，從而否定了陀螺效應(yīng)觀點(diǎn)。腳輪效應(yīng)能使前輪的支承力產(chǎn)生對(duì)前叉轉(zhuǎn)軸的力矩，推動(dòng)前叉朝傾斜方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使離心力效應(yīng)的穩(wěn)定作用自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
瓊斯計(jì)算了前叉點(diǎn)與自行車的傾斜角和前輪偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系，他稱之為“駕駛幾何”。國(guó)內(nèi)相關(guān)專家指出：“當(dāng)行駛的自行車有一個(gè)傾斜角時(shí)，自行車的前輪由于有‘前輪尾跡’的緣故，會(huì)自動(dòng)向傾斜的一側(cè)產(chǎn)生一個(gè)偏轉(zhuǎn)角，由于有這個(gè)偏轉(zhuǎn)角，自行車靠轉(zhuǎn)彎的離心力便會(huì)扶正。因此即使沒有人駕駛，在一定的速度之下，直行的自行車，運(yùn)動(dòng)也是穩(wěn)定的。”
可能性之四：多重效應(yīng)綜合作用
陀螺效應(yīng)、腳輪效應(yīng)和自行車前部重心位置這 3 點(diǎn)，雖然不會(huì)各自對(duì)平衡力起決定性作用，但可能三者有一股微妙的交互關(guān)聯(lián)，影響自行車的平衡力。
2011 年，《科學(xué)》雜志刊登了一篇名為《一輛自行車可以不借助陀螺或腳輪效應(yīng)而保持平衡》的論文，文中荷蘭達(dá)爾福特大學(xué)的研究者們否定了維持自行車穩(wěn)定的陀螺效應(yīng)和腳輪效應(yīng)。
他們?cè)O(shè)計(jì)了一輛沒有陀螺或腳輪效應(yīng)的自行車。這輛車包含了車身、前叉和前后輪等自行車必備的元素，但其結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單。車身和前叉簡(jiǎn)化成各自帶有集中質(zhì)量的直桿，前叉轉(zhuǎn)軸接近垂直，前后車輪很小，且利用反向旋轉(zhuǎn)的副車輪徹底消除了陀螺效應(yīng)，同時(shí)，前輪的觸地點(diǎn)比駕駛軸略微提前了一點(diǎn)，使得輪腳作用幾乎為負(fù)。
在荷蘭達(dá)爾福特大學(xué)的停車場(chǎng)和籃球館，研究者們以每小時(shí) 8 千米的速度把這輛小車向外推了出去，它自己行駛了相當(dāng)長(zhǎng)的距離，如同任何一輛傳統(tǒng)自行車一樣，它能夠平衡自己。研究者甚至還在自行車自我行駛過(guò)程中略微推了它一下，很快這輛小車又自己調(diào)整到直線軌道。參與研究者瑞納說(shuō)：“沒人知道這是為什么。”該大學(xué)的另一名科學(xué)家阿諾德?舒瓦特說(shuō)：“這輛自行車證明，自我平衡還無(wú)法用任何簡(jiǎn)單的詞來(lái)解釋。”
除了否定陀螺和腳輪效應(yīng)的關(guān)鍵性之外，他們的實(shí)驗(yàn)還顯示，自行車重量分布可能對(duì)平衡起到很大的作用，特別是自行車前部重量中心的位置，可能極大影響了自行車穩(wěn)定性。
雖然科學(xué)家依然沒有得出自行車穩(wěn)定性的確切解釋，但是至少他們得到了一些啟發(fā)——陀螺效應(yīng)、腳輪效應(yīng)和自行車前部重心位置這 3 點(diǎn)，雖然不會(huì)各自對(duì)平衡力起決定性作用，但可能三者有一股微妙的交互關(guān)聯(lián)，影響自行車的平衡力。
那么，兩個(gè)輪子一個(gè)架子，構(gòu)造如此簡(jiǎn)單的自行車，為什么想要弄清其穩(wěn)定性的問題這么難呢？一些研究人員認(rèn)為，要想理解自行車為什么不倒，不只是要考慮力學(xué)問題，也許還要考慮腦科學(xué)。人類能用很復(fù)雜但卻很直觀的方式使得自行車保持穩(wěn)定，例如在非常低的速度下，我們很容易就意識(shí)到，扭轉(zhuǎn)車把沒多大用處，相反我們會(huì)通過(guò)膝蓋運(yùn)動(dòng)來(lái)操控自行車。但是人們?yōu)槭裁磿?huì)這么做，沒人知道，也許自行車的謎團(tuán)將會(huì)繼續(xù)困擾我們。
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