自行车骑行为何不倒？困惑科学家两百年的问题已解决

陈军

一、原文中介绍了世界科学家的四种可能性的解释

第一种解释：陀螺效应，是由德国数学家克莱因和物理学家索莫菲尔德，于1911年，作出的可能性解释。

第二种解释：离心力效应，是美国力学家铁木辛科和杨，在1948年，在他所著作的《高等动力学》一书中，作出的可能性解释。

第三种解释：脚轮效应，是在1974年4月，英国化学家、科普作家大卫.琼斯，在《今日物理》中，作出的可能性解释。

第四种解释：多种效应的综合作用，是对前面解釋不满意的一种解释和判断，作出无法用简单的词来解释，作出的可能性解释。

中国科学院大学工程科学学院余永亮教授，对可能性的解释给予了简单的概括。总之，四种解释都加了可能性。我的感觉是：用复杂的问题来解释简单的问题，不是越解释越糊涂吗？

二、自行车慢骑比赛的故事

1988年9月份，在中国的滁州市，沙河镇政府，为了庆祝国庆和改革开放十周年，开展了系列文化体育活动，其中有一项，别具一格的自行车慢骑比赛，就是比赛的距离相等，谁用的时间越长，成绩越好。在决赛中，出现了一个“奇人”，奇就奇在，他能把自行车定在那里不走，也不倒，是当之无愧的冠军。

三、物体的稳定性和倾而不倒的条件和方法

物体的稳定性是我们熟知的知识 ，稳定性与支持面和重心两个因素有关，一般地讲，支持面越大，重心越低，物体的稳定性就越高，反之，物体的稳定性就越差。它的应用很广泛 ，它与自行车骑行为何不倒有何关系呢？

经过研究，我们只要换一个问题，问一问就明白了。水平面上的物体在什么条件下会倾倒？答案可能会很多，如果排除楼房之类，不可能在水平面上移动的物体，使物体倾倒的条件就很少了，我能想到的答案，无碍乎与速度，与惯性，与力有关。在研究中，发现速度、惯性和力，都能让物体发生倾倒，但是，并不等于，有了这些条件，物体就一定会倾倒，只是物体倾倒的间接原因，而不是物体倾倒的直接原因。我研究的结论是：能在水平面上，运动的物体，或者处于静止状态，只要物体的重心，偏离物体的支持面之外，在重力的转动力矩作用下，物体就会倾斜，直至倾倒。在倾倒之前，如果能及时地把物体的重心调整到支持面以内或者附近，具备了这种条件后，物体就不会倾倒。把物体处在这样的一种运动状态，称之为倾而不倒，简称倾不倒。例如，走钢丝，杂技演员就是依靠两手臂或者长杆左右轻轻摆动，来控制人体的重心，不能偏离钢丝左右太远，保持着倾而不倒的运动状态。保持倾而不倒的方法有三种：一是控制重心，二是控制支持面，三是两者兼而有之。

奇人聪明之处，在于他把前后轮胎的气放了一部分，大大地增加了轮胎与地面的接触面，他把前轮几乎横了过来，前轮与地面接触的左右宽度，设想一下，这样就提高了自行车左右的稳定性，把人和车的重心控制在这样的支持面内，就容易的很多，用手和上身，微微调整，就做到了既不走，又不倒的状态。这个故事说明了什么？说明了自行车不倒与惯性，与离心力没有任何关系，我相信很多杂技演员都能做到。

四、自行车骑行为何不倒

自行车骑行过程中，就是处于倾而不倒的运动状态，当自行车向右倾斜时，说明人体和自行车的重心，偏离支持面的右方，如果不能及时地，把重心控制在支持面之内或者附近，人和车就会向右倾倒，为了不倾倒，人无碍乎要做三种动作，一是及时将前轮向右转，使支持面向右移动，使人和车的重心重新回到支持面之内，就不会倾倒，如果前轮向左转，支持面反而会向左移动，人体和车，会向右倾倒的更快。二是人体及时向左倾，把人和车的重心，重新移动到支持面之内，三是前两种兼而有之。

骑自行车也是一种技术，初学者和小孩学走路没有本质的区别，都是要经过训练，才能熟练掌握，做到随机应变。不会骑两轮自行车的人，一定不会骑独轮自行车，为什么？因为两轮自行车的倾斜，只有左右两个方向，而独轮自行车的倾斜方向是全方位的，控制技术要求更高。

五、自转陀螺为何愰而不倒

自转陀螺为何不倒？普遍认为是惯性的缘故，反问一句，难到静止的陀螺就没有惯性吗？ 对于陀螺而言，它的支持面就是它的顶点，与水平面的接触面，是很小的，堪称是理想的支点，要想让陀螺的重心在支点上，是很难很难做到的，在实际中，自转陀螺的重心始终保持在支点附近，是遵守倾而不倒（原理）的，它的运动状态，称之为愰而不倒，分两种情况解释—下。

第一种，陀螺的支点不动，重心围绕着支点附近转动。如果陀螺是理想的轴对称结构，也就是说，质心和重心在理想的对称轴（自转轴）上，二力会平衡，自转的陀螺会很稳定的，不会发生愰动现象，如果重心偏离自转轴越远，自转时愰动就越明显，如果在陀螺的一边去掉一部分，或者增加一块配重，自转就会容易倾倒，这是可以通过实验验证的。在实际中，陀螺的重心忽多忽少的偏心，不转的陀螺在水平面上，是直立不住的，会倾斜直至倾倒，如何让陀螺倾而不倒呢？只有在倾倒之前，能迅速地把重心移动到支点的相反方向，也就不会倾倒，对于支点不动的自转陀螺，就是通过自转迅速转动重心的位置，始终保持在支点附近，实现了全方位的倾而不倒，称之为愰而不倒，倾而不倒中的倾字，是倾斜之意，一般是指向某一个方向倾斜。

第二种，陀螺的重心不动，支点围绕着重心附近转动。这种转动，也能实现全方位的倾而不倒，支点为什么会转动呢？当自转轴倾斜时，支点实际上就变成了，可以在水平上，斜着滚动的圆柱体，支点滚动的轨迹就是圆，重心就在圆心的上方，支点始终保持在重心附近转动，也能实现全方位的倾而不倒，也称之为愰而不倒。

更复杂一点的愰而不倒，就是这两种愰而不倒的组合。

倾而不倒，是对二力平衡条件和物体的的稳定性，研究基础之上的一种理论拓展，也是物体运动的一种状态，一般情况下，这种运动都有人参与其中的活动，在杂技行业，广泛应用。