“騎不倒”的自行車

如今，大街小巷最隨處可見的恐怕要數(shù)各種顏色的共享單車了，這些由簡單支架、兩個輪子和兩個腳踏組成的最簡單的交通工具，為人們的出行帶來了極大便利。邁腿、上車、蹬起、走你——隨著車輪飛轉(zhuǎn)，騎車人或輕輕調(diào)整車把，或身體左右輕晃，把個小小的自行車騎得行云流水一般。

自行車騎得雖爽，但是研究自行車的科學(xué)家們卻有些“不爽”。因為這么一個結(jié)構(gòu)簡單的交通工具，時至今日卻仍弄不明白它的穩(wěn)定性問題，即為什么它在騎行過程中不會倒？不僅如此，當(dāng)人們在平地上把一輛自行車推行到一定速度后撒手，自行車也會無控制地穩(wěn)定前行一段，即使中途擾動一下，它也能夠恢復(fù)穩(wěn)定。

為解開這個謎團，法國科學(xué)院甚至在1897年還專門設(shè)立了一個獎項。200年來，許多物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家孜孜不倦地研究著自行車不倒的問題，以期尋求一個合理的解釋，他們發(fā)表了近百篇文獻，提出了各種可能。

可能性之一：陀螺效應(yīng)

自行車前輪轉(zhuǎn)動時，它的離心力會幫助保持自身平衡，就像抽動旋轉(zhuǎn)的陀螺時，陀螺會圍繞著它的軸保持旋轉(zhuǎn)方向的慣性一樣。

在對自行車穩(wěn)定性的解釋中影響比較大的一種說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來解釋自行車的穩(wěn)定性。

1911年，德國數(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)?！巴ㄋ椎刂v就是轉(zhuǎn)動物體具備維持原有轉(zhuǎn)動狀態(tài)的慣性，就如牛頓第一定律（慣性定律）描述直線運動的慣性一樣。”中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院余永亮教授表示。

物體轉(zhuǎn)動時，它的離心力會幫助保持自身平衡，就像抽動旋轉(zhuǎn)的陀螺時，陀螺會圍繞著它的軸保持旋轉(zhuǎn)方向的慣性一樣。

北京大學(xué)力學(xué)系教授武際可在其博客《自行車的學(xué)問》一文中寫道：“對于陀螺效應(yīng)自行車穩(wěn)定性的解釋，我們簡要地來做說明。你拿一枚硬幣，讓它在平面上滾動，如果起始時刻讓它略微傾斜，比方說傾向左側(cè)，你就會發(fā)現(xiàn)，它會向傾斜的這方拐彎，當(dāng)傾斜角變得愈大時，拐彎的曲率也愈大，最后到傾倒為止?！蓖瑯涌梢灶惐仍谛羞M的自行車：“假設(shè)自行車欲向左側(cè)傾倒，即前輪向左偵斜，這時騎車人操縱車把使前輪向左轉(zhuǎn)，這相當(dāng)于給前輪一個向左旋轉(zhuǎn)的力矩，在這個力矩作用下，前輪會由傾斜向直立方向運動。同樣如果自行車欲向右傾倒，即前輪向右傾斜，這時騎車人通過把手使前輪向右轉(zhuǎn)，這相當(dāng)于給前輪一個向右旋轉(zhuǎn)的力矩，在這個力矩作用下，前輪會由傾斜向直立方向運動。由此，自行車自然會穩(wěn)定地向前行駛?！?/p>

可能性之二：離心力效應(yīng)

當(dāng)自行車往一側(cè)傾斜時，騎車人就會將前輪轉(zhuǎn)向同一側(cè)，由于前輪轉(zhuǎn)了一個角度，自行車就會沿著傾斜側(cè)的圓周行進，這時離心力向圓周外，就會將自行車扶正。

1948年，美國力學(xué)家鐵木辛科和楊在他們所著的《高等動力學(xué)》-書中，對自行車穩(wěn)定性問題做出了離心力效應(yīng)的解釋。他們認(rèn)為，當(dāng)自行車往一側(cè)傾斜時，騎車人就會將前輪轉(zhuǎn)向同一側(cè)，由于前輪轉(zhuǎn)了一個角度，自行車就會沿著傾斜側(cè)的圓周行進，這時離心力向圓周外，就會將自行車扶正。

對此，武際可指出：“由這個解釋，可以得出結(jié)論，自行車的速度越快，所產(chǎn)生的離心力便越大。所以自行車行進的速度越快，自行車便越容易控制?！庇嘤懒烈脖硎?，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)

腳輪效應(yīng)能使前輪的支承力產(chǎn)生對前叉轉(zhuǎn)軸的力矩，推動前叉朝傾斜方向轉(zhuǎn)動，使離心力效應(yīng)的穩(wěn)定作用自動實現(xiàn)。

1970年4月，英國化學(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與前輪并列反向旋轉(zhuǎn)的副車輪，以消除陀螺力矩。實驗結(jié)果證實，改裝車的行駛穩(wěn)定性與一般自行車無異，從而否定了陀螺效應(yīng)觀點。

上海交通大學(xué)劉延柱教授發(fā)表在《力學(xué)與實踐》上的《自穩(wěn)定的無人自行車》一文中寫道：“瓊斯的實驗還證明，前叉轉(zhuǎn)軸與地面的交點位于前輪觸地點的前方，是影響自行車穩(wěn)定性的重要因素，稱為‘腳輪效應(yīng)。腳輪效應(yīng)能使前輪的支承力產(chǎn)生對前叉轉(zhuǎn)軸的力矩，推動前叉朝傾斜方向轉(zhuǎn)動，使離心力效應(yīng)的穩(wěn)定作用自動實現(xiàn)?！?/p>

瓊斯計算了前叉點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”。武際可指出：“當(dāng)行駛的自行車有一個傾斜角時，自行車的前輪由于有‘前輪尾跡的緣故，會自動向傾斜的一側(cè)產(chǎn)生一個偏轉(zhuǎn)角，由于有這個偏轉(zhuǎn)角，自行車靠轉(zhuǎn)彎的離心力便會扶正。因此即使沒有人駕駛，在一定的速度之下，直行的自行車，運動也是穩(wěn)定的?！?/p>

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，雖然不會各自對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)。

他們設(shè)計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)極其簡單。車身和前叉簡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，前輪的觸地點比駕駛軸略微提前了一點，使得輪腳作用幾乎為負(fù)。

在荷蘭達爾福特大學(xué)的停車場和籃球館，研究者們以每小時8000的速度把這輛小車向外推了出去，它自己行駛了相當(dāng)長的距離，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：“沒人知道這足為什么?！痹摯髮W(xué)的另一名科學(xué)家阿諾德·舒瓦特說：“這輛自行車證明，自我平衡還無法用任何簡單的詞來解釋。”

除了否定陀螺和腳輪效應(yīng)的關(guān)鍵性之外，他們的實驗還顯示，自行車重量分布可能對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，雖然不會各自對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，兩個輪子一個架子，構(gòu)造這么簡單的自行車為什么弄清其穩(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，我們很容易就意識到，扭轉(zhuǎn)車把沒多大用處，相反我們會通過膝蓋運動來操控自行車。但是人們?yōu)槭裁磿@么做，沒人知道。也許自行車的謎團將會繼續(xù)困擾我們。