自行車騎行為何不倒？困惑科學(xué)家兩百年的問題已解決

陳軍

一、原文中介紹了世界科學(xué)家的四種可能性的解釋

第一種解釋：陀螺效應(yīng)，是由德國(guó)數(shù)學(xué)家克萊因和物理學(xué)家索莫菲爾德，于1911年，作出的可能性解釋。

第二種解釋：離心力效應(yīng)，是美國(guó)力學(xué)家鐵木辛科和楊，在1948年，在他所著作的《高等動(dòng)力學(xué)》一書中，作出的可能性解釋。

第三種解釋：腳輪效應(yīng)，是在1974年4月，英國(guó)化學(xué)家、科普作家大衛(wèi).瓊斯，在《今日物理》中，作出的可能性解釋。

第四種解釋：多種效應(yīng)的綜合作用，是對(duì)前面解釋不滿意的一種解釋和判斷，作出無法用簡(jiǎn)單的詞來解釋，作出的可能性解釋。

中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院余永亮教授，對(duì)可能性的解釋給予了簡(jiǎn)單的概括?？傊?，四種解釋都加了可能性。我的感覺是：用復(fù)雜的問題來解釋簡(jiǎn)單的問題，不是越解釋越糊涂嗎？

二、自行車慢騎比賽的故事

1988年9月份，在中國(guó)的滁州市，沙河鎮(zhèn)政府，為了慶祝國(guó)慶和改革開放十周年，開展了系列文化體育活動(dòng)，其中有一項(xiàng)，別具一格的自行車慢騎比賽，就是比賽的距離相等，誰用的時(shí)間越長(zhǎng)，成績(jī)?cè)胶?。在決賽中，出現(xiàn)了一個(gè)“奇人”，奇就奇在，他能把自行車定在那里不走，也不倒，是當(dāng)之無愧的冠軍。

三、物體的穩(wěn)定性和傾而不倒的條件和方法

物體的穩(wěn)定性是我們熟知的知識(shí) ，穩(wěn)定性與支持面和重心兩個(gè)因素有關(guān)，一般地講，支持面越大，重心越低，物體的穩(wěn)定性就越高，反之，物體的穩(wěn)定性就越差。它的應(yīng)用很廣泛 ，它與自行車騎行為何不倒有何關(guān)系呢？

經(jīng)過研究，我們只要換一個(gè)問題，問一問就明白了。水平面上的物體在什么條件下會(huì)傾倒？答案可能會(huì)很多，如果排除樓房之類，不可能在水平面上移動(dòng)的物體，使物體傾倒的條件就很少了，我能想到的答案，無礙乎與速度，與慣性，與力有關(guān)。在研究中，發(fā)現(xiàn)速度、慣性和力，都能讓物體發(fā)生傾倒，但是，并不等于，有了這些條件，物體就一定會(huì)傾倒，只是物體傾倒的間接原因，而不是物體傾倒的直接原因。我研究的結(jié)論是：能在水平面上，運(yùn)動(dòng)的物體，或者處于靜止?fàn)顟B(tài)，只要物體的重心，偏離物體的支持面之外，在重力的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用下，物體就會(huì)傾斜，直至傾倒。在傾倒之前，如果能及時(shí)地把物體的重心調(diào)整到支持面以內(nèi)或者附近，具備了這種條件后，物體就不會(huì)傾倒。把物體處在這樣的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，稱之為傾而不倒，簡(jiǎn)稱傾不倒。例如，走鋼絲，雜技演員就是依靠?jī)墒直刍蛘唛L(zhǎng)桿左右輕輕擺動(dòng)，來控制人體的重心，不能偏離鋼絲左右太遠(yuǎn)，保持著傾而不倒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。保持傾而不倒的方法有三種：一是控制重心，二是控制支持面，三是兩者兼而有之。

奇人聰明之處，在于他把前后輪胎的氣放了一部分，大大地增加了輪胎與地面的接觸面，他把前輪幾乎橫了過來，前輪與地面接觸的左右寬度，設(shè)想一下，這樣就提高了自行車左右的穩(wěn)定性，把人和車的重心控制在這樣的支持面內(nèi)，就容易的很多，用手和上身，微微調(diào)整，就做到了既不走，又不倒的狀態(tài)。這個(gè)故事說明了什么？說明了自行車不倒與慣性，與離心力沒有任何關(guān)系，我相信很多雜技演員都能做到。

四、自行車騎行為何不倒

自行車騎行過程中，就是處于傾而不倒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)自行車向右傾斜時(shí)，說明人體和自行車的重心，偏離支持面的右方，如果不能及時(shí)地，把重心控制在支持面之內(nèi)或者附近，人和車就會(huì)向右傾倒，為了不傾倒，人無礙乎要做三種動(dòng)作，一是及時(shí)將前輪向右轉(zhuǎn)，使支持面向右移動(dòng)，使人和車的重心重新回到支持面之內(nèi)，就不會(huì)傾倒，如果前輪向左轉(zhuǎn)，支持面反而會(huì)向左移動(dòng)，人體和車，會(huì)向右傾倒的更快。二是人體及時(shí)向左傾，把人和車的重心，重新移動(dòng)到支持面之內(nèi)，三是前兩種兼而有之。

騎自行車也是一種技術(shù)，初學(xué)者和小孩學(xué)走路沒有本質(zhì)的區(qū)別，都是要經(jīng)過訓(xùn)練，才能熟練掌握，做到隨機(jī)應(yīng)變。不會(huì)騎兩輪自行車的人，一定不會(huì)騎獨(dú)輪自行車，為什么？因?yàn)閮奢喿孕熊嚨膬A斜，只有左右兩個(gè)方向，而獨(dú)輪自行車的傾斜方向是全方位的，控制技術(shù)要求更高。

五、自轉(zhuǎn)陀螺為何愰而不倒

自轉(zhuǎn)陀螺為何不倒？普遍認(rèn)為是慣性的緣故，反問一句，難到靜止的陀螺就沒有慣性嗎？ 對(duì)于陀螺而言，它的支持面就是它的頂點(diǎn)，與水平面的接觸面，是很小的，堪稱是理想的支點(diǎn)，要想讓陀螺的重心在支點(diǎn)上，是很難很難做到的，在實(shí)際中，自轉(zhuǎn)陀螺的重心始終保持在支點(diǎn)附近，是遵守傾而不倒（原理）的，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，稱之為愰而不倒，分兩種情況解釋—下。

第一種，陀螺的支點(diǎn)不動(dòng)，重心圍繞著支點(diǎn)附近轉(zhuǎn)動(dòng)。如果陀螺是理想的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，也就是說，質(zhì)心和重心在理想的對(duì)稱軸（自轉(zhuǎn)軸）上，二力會(huì)平衡，自轉(zhuǎn)的陀螺會(huì)很穩(wěn)定的，不會(huì)發(fā)生愰動(dòng)現(xiàn)象，如果重心偏離自轉(zhuǎn)軸越遠(yuǎn)，自轉(zhuǎn)時(shí)愰動(dòng)就越明顯，如果在陀螺的一邊去掉一部分，或者增加一塊配重，自轉(zhuǎn)就會(huì)容易傾倒，這是可以通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的。在實(shí)際中，陀螺的重心忽多忽少的偏心，不轉(zhuǎn)的陀螺在水平面上，是直立不住的，會(huì)傾斜直至傾倒，如何讓陀螺傾而不倒呢？只有在傾倒之前，能迅速地把重心移動(dòng)到支點(diǎn)的相反方向，也就不會(huì)傾倒，對(duì)于支點(diǎn)不動(dòng)的自轉(zhuǎn)陀螺，就是通過自轉(zhuǎn)迅速轉(zhuǎn)動(dòng)重心的位置，始終保持在支點(diǎn)附近，實(shí)現(xiàn)了全方位的傾而不倒，稱之為愰而不倒，傾而不倒中的傾字，是傾斜之意，一般是指向某一個(gè)方向傾斜。

第二種，陀螺的重心不動(dòng)，支點(diǎn)圍繞著重心附近轉(zhuǎn)動(dòng)。這種轉(zhuǎn)動(dòng)，也能實(shí)現(xiàn)全方位的傾而不倒，支點(diǎn)為什么會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)呢？當(dāng)自轉(zhuǎn)軸傾斜時(shí)，支點(diǎn)實(shí)際上就變成了，可以在水平上，斜著滾動(dòng)的圓柱體，支點(diǎn)滾動(dòng)的軌跡就是圓，重心就在圓心的上方，支點(diǎn)始終保持在重心附近轉(zhuǎn)動(dòng)，也能實(shí)現(xiàn)全方位的傾而不倒，也稱之為愰而不倒。

更復(fù)雜一點(diǎn)的愰而不倒，就是這兩種愰而不倒的組合。

傾而不倒，是對(duì)二力平衡條件和物體的的穩(wěn)定性，研究基礎(chǔ)之上的一種理論拓展，也是物體運(yùn)動(dòng)的一種狀態(tài)，一般情況下，這種運(yùn)動(dòng)都有人參與其中的活動(dòng)，在雜技行業(yè)，廣泛應(yīng)用。