自行車如何保持平衡

風池

牛頓說：“我可以計算出天體運行的軌道，卻無法計算人性的瘋狂。”這句話的大意是，科學的問題好解決，人性的深邃卻難以把握。但對于自行車如何保持平衡的問題，即使眾多科學家求索了幾百年，也始終無法說清其原理。

自行車是18世紀末法國人發明的，與其他現代交通工具一樣，自行車也經過了幾代的改良。最初的自行車沒有腳踏板，也沒有轉向功能，前行要靠腳蹬地，轉向需抱住車體。直到德國的德萊斯發明出了可以控制方向的車把，英國的勞森發明了機械裝置，自行車才逐漸有了今天的樣子。所以，自行車并不是根據精密的物理學、數學理論公式設計出來的產物，而是人們在實踐中不斷改良產生的。

在近代物理學高速發展的同時，科學家們便開始研究自行車是如何保持平衡這一問題。但是，科學家們經過研究發現，生活中看似簡單的自行車，其保持平衡的原理竟然無法用現有的科學理論進行解釋。

在19世紀末，有科學家提出觀點：自行車的平衡原理是“陀螺效應”。這個觀點認為，高速旋轉狀態下的陀螺，無論遇到怎樣的外力干涉，它的平衡都很難被破壞。這是因為物體在快速旋轉狀態下，會產生一種名為“角動量”的物理概念，自行車也一樣。只要輪胎的旋轉速度足夠快，不管自行車上是否有人操控，車身都會保持一個幾乎恒定的方向平移前進，這也是速度越快的自行車突然轉向時越容易翻車的原因。

在眾多理論中，“陀螺效應”的支持者最多，且在學術界作為主流理論存在了幾十年，但是在20世紀70年代，這個理論被一個叫瓊斯的人推翻了。瓊斯在《今日物理》雜志上發表了一篇文章，這篇文章介紹了一個實驗，實驗設計了一款自行車，這輛自行車的特別之處在于，它有一大一小兩個前輪，大前輪在小前輪的傳動下，會以不同的旋轉方向轉動。也就是說，兩個輪子的角動量是完全相反的，并且相互抵消，但是自行車依然可以平衡地騎行，這輛自行車成功地在理論上否定了“陀螺效應”。緊接著，瓊斯提出了一個新理論——“前輪尾跡”理論。

簡單來說，“前輪尾跡”理論是因為車輪軸心比車的方向把手更靠前，當車傾倒時，車頭也會朝同一個方向歪掉。這就意味著，在行進時，傾倒的自行車靠著歪掉的車頭，把重心改回到了自行車重心的下方，從而保持平衡。

“前輪尾跡”理論聽起來也有一定的道理，很多人以為這個問題可以就此終結，但是在2011年，又有研究者挑戰了“前輪尾跡”，同時否定了“陀螺效應”。該研究者制作了一輛特制的自行車，這輛自行車可以不靠人體掌控自行保持平衡，它的特別之處有兩點：它有四個輪子，同時前輪的軸心比車把靠后。前輪、后輪分別由兩個輪子組成，而這兩個輪子的旋轉方向是相反的。也就是說，前后輪的角動量都被抵消了，而車把比前輪靠后，意味著靠“前輪尾跡”改變車體重心，從而保持自行車平衡的理論也就站不住腳了。所以，“陀螺效應”和“前輪尾跡”這兩個理論都被推翻了。

后來，科學界又提出了很多解釋自行車為何能保持平衡的理論，但是沒有一個能準確解釋其原理。于是，這一問題至今仍然困擾著全世界的研究者們。