自行車為啥不會倒?

話說有一天，飯桶見地主氣色不錯，主動上前找茬，不，搭話：“地主你說你對自行車了若指掌，那你倒是說說，動起來的自行車到底為啥不會倒?”地主想都不想，就答道：“這個問題你問我算是找對人了。自行車不倒，其實指的就是自行車奇妙的穩定性，對于這個現象目前流傳比較廣泛的解釋有兩種：一是前輪的陀螺效應，二就是前又后傾設計。第一個原理很好理解，前輪快速轉起來之前就像一支陀螺，陀螺自然會保持初始的平衡位置；第二點說白了就是前輪是被前又拉著走的，地面的摩擦力能迫使前輪在偏轉后自動恢復到原來的中間位置上，車身恢復平衡后自然就不會倒。關于這一點，當年我在一篇文章里進行了詳細的闡述，自己去看2009年10期《Geek》雜志。至于這兩個原因哪一個是自行車保持平衡的決定性因素，我個人傾向于后者……”飯桶嘿嘿一笑，道：“我看未必吧!有說法是這兩個都不是真正的原因，自行車前部重心的位置合不合理才是關鍵……”地主當即表示不服，于是兩人又唇槍舌戰起來。最后在圍觀群眾的攛掇下，兩人一致議定：用實驗來說話!

格物

說干就干，地主捐出了閑置的愛車之一作為實驗道具(說是捐，但是地主反復強調不得有任何損壞，否則……)，實驗場地就選在編輯部樓下一塊平整干燥的停車場。本次測試的基本思路是這樣：為了排除人為騎行技術的影響，《Geek》僅以無人駕駛的自行車作為研究對象，觀察它在受力平衡的情況下的運動狀況；在整個實驗中需要不斷改變自行車自身的各種條件來反復測試，從而找出使自行車自動保持平衡的根本原因。為公平起見，地主和飯桶推選老朱作為測試人員。(老朱嚴重低估了本次測試所需的運動量以及室外天氣的炎熱程度，否則他打死也不會接下這筆業務……)

實驗1，高速運動狀態下的穩定性測試：把自行車的車身和龍頭扶正后，老朱推著車跑動起來，當速度達到足以使車身保持平衡的程度時(目測時速大概在15公里左右)，再用力推它一把。不出所料，自行車很平穩地溜出去376、7米，在速度減慢倒下之前，老朱氣喘吁吁地追上去把車扶住了。如此來回了5、8趟，結果都差不多，除了老朱的奔跑速度越來越慢……

結論1：只要達到了一定的速度，自行車就能夠自動保持平衡并直線前進，這個時候騎車的人僅僅充當了動力源的角色。

實驗2，擾動下的穩定性測試：初始條件與實驗1相同，但是在自行車無人滑行的途中，老朱需全程跟隨，并時不時地往左或往右推動一下車身，以測試自行車在輕微擾動下的穩定性。結果老朱每次一推車，自行車在稍稍傾斜之后很快就恢復了平衡，在因速度減慢而倒下之前同樣穩穩地滑行了一大段距離。當然，推得太猛還是會直接倒地不起的(僅有一次，畢竟還是要考慮地主的感受)。

結論2：自行車有從輕微擾動中自動恢復平衡的機制，目測與前叉的結構有關。

實驗3，無轉向性下的穩定性測試：將前叉與車身用繩子牢牢綁起來，使之無法轉動，此時的自行車就好比兩個連在一起的大鐵環。這下子結果就大大不同了，自行車在脫手之后沒走幾步就結結實實地倒下了，遠遠地在5樓編輯部目睹這一幕的地主心都碎了。樓下，老朱的手機頓時響起，一看是地主發來的短信：“老朱，車壞了可是要花錢修的!”于是老朱放棄了重復本實驗的打算。

結論3：前叉能夠靈活轉動足自行車保持平衡的必要條件，當然，未必足充分必要條件。

實驗4：反向行駛時的穩定性測試：所謂反向行駛，就是倒著把自行車推出去，此時原來的后輪變為前輪。嗯，結果也沒啥懸念，與大家在生活中的直觀感受一樣，自行車在這種狀態下也是無法保持平衡的。

結論4：當自行車反向行駛時，最大的特點就是轉向軸的延長線與地面的交點在前輪(原來的后輪)著地點之后。這說明要使自行車保持平衡，轉向軸不僅要能夠靈活轉動，軸線與地面的交點還不能在前輪著地點的后面太遠。

轉折

一般人看到這里，可能就會得出這樣的結論了：前又后傾是自行車能夠自動保持平衡的根本原因。難道地主就這樣勝利了么?飯桶當然不會答應。果然，無視地主火熱的目光，飯桶不慌不忙地打開一個網頁，指給地主，道：“看見這輛名為TMS(見上圖)的小自行車了么?它的前后輪不僅很小，而且各自裝有一個反向旋轉的副輪，能夠大程度地抵消陀螺效應；前叉的轉向軸幾乎與地面垂直，軸線與地面的交點與前輪著地點幾近重合，這又破除了前叉必須后傾的神話。只要前部重心位置合理，TMS同樣可以保持直行。地主你說，‘前叉后傾說’是不是狗屁?”

地主定睛一看，原來這是荷蘭達爾福特大學和美國康奈爾大學的物理學家們聯合研制的一輛實驗車，為的就是找出自行車保持平衡的真正原因。地主雖想反駁飯桶的“前部重心位置說”，但一時又尋不到有利的證據，于是只能暫時隱忍下來。回到家后，地主用PVC管和滑輪等裝修剩余物資山寨了一個TMS，重復實驗了若干次。果不其然，這輛特殊的自行車同樣能夠保持平衡，只是它的穩定性比前叉后傾的真正的自行車要差一些。地主百思不得其解：這到底是為什么呢?難道這幾項因素都能影響自行車的穩定性?

致知

地主這么想就對了。單獨來看，陀螺效應、前叉后傾設計以及合理的前部重心位置都不能對自行車的穩定性起決定性的作用，但這三者之間似乎存在著一股微妙的交互關聯，從而影響到自行車的平衡能力。實驗表明，當對這三點調整失誤后，反而會令自行車更為不穩定。當然，決定一輛自行車的穩定性還有很多其他的因素，比如駕駛軸的幾何形狀，兩輪之間的距離，地面的摩擦力或車體的重量分布……至今為止，還沒有一個完美的數學公式能夠徹底地描述出自行車平衡原理，因此飯桶和地主的爭論注定沒有結論。《Geek》想說的是，各位童鞋不妨從今天起好好學習數學和物理，說不定在不久的將來還能趕上解開這個千古之謎的機會呢!再不濟發明一兩款全新的自行車，推動一下人類的進步也是大功一件啊。