自行车如何保持平衡

风池

牛顿说：“我可以计算出天体运行的轨道，却无法计算人性的疯狂。”这句话的大意是，科学的问题好解决，人性的深邃却难以把握。但对于自行车如何保持平衡的问题，即使众多科学家求索了几百年，也始终无法说清其原理。

自行车是18世纪末法国人发明的，与其他现代交通工具一样，自行车也经过了几代的改良。最初的自行车没有脚踏板，也没有转向功能，前行要靠脚蹬地，转向需抱住车体。直到德国的德莱斯发明出了可以控制方向的车把，英国的劳森发明了机械装置，自行车才逐渐有了今天的样子。所以，自行车并不是根据精密的物理学、数学理论公式设计出来的产物，而是人们在实践中不断改良产生的。

在近代物理学高速发展的同时，科学家们便开始研究自行车是如何保持平衡这一问题。但是，科学家们经过研究发现，生活中看似简单的自行车，其保持平衡的原理竟然无法用现有的科学理论进行解释。

在19世纪末，有科学家提出观点：自行车的平衡原理是“陀螺效应”。这个观点认为，高速旋转状态下的陀螺，无论遇到怎样的外力干涉，它的平衡都很难被破坏。这是因为物体在快速旋转状态下，会产生一种名为“角动量”的物理概念，自行车也一样。只要轮胎的旋转速度足够快，不管自行车上是否有人操控，车身都会保持一个几乎恒定的方向平移前进，这也是速度越快的自行车突然转向时越容易翻车的原因。

在众多理论中，“陀螺效应”的支持者最多，且在学术界作为主流理论存在了几十年，但是在20世纪70年代，这个理论被一个叫琼斯的人推翻了。琼斯在《今日物理》杂志上发表了一篇文章，这篇文章介绍了一个实验，实验设计了一款自行车，这辆自行车的特别之处在于，它有一大一小两个前轮，大前轮在小前轮的传动下，会以不同的旋转方向转动。也就是说，两个轮子的角动量是完全相反的，并且相互抵消，但是自行車依然可以平衡地骑行，这辆自行车成功地在理论上否定了“陀螺效应”。紧接着，琼斯提出了一个新理论——“前轮尾迹”理论。

简单来说，“前轮尾迹”理论是因为车轮轴心比车的方向把手更靠前，当车倾倒时，车头也会朝同一个方向歪掉。这就意味着，在行进时，倾倒的自行车靠着歪掉的车头，把重心改回到了自行车重心的下方，从而保持平衡。

“前轮尾迹”理论听起来也有一定的道理，很多人以为这个问题可以就此终结，但是在2011年，又有研究者挑战了“前轮尾迹”，同时否定了“陀螺效应”。该研究者制作了一辆特制的自行车，这辆自行车可以不靠人体掌控自行保持平衡，它的特别之处有两点：它有四个轮子，同时前轮的轴心比车把靠后。前轮、后轮分别由两个轮子组成，而这两个轮子的旋转方向是相反的。也就是说，前后轮的角动量都被抵消了，而车把比前轮靠后，意味着靠“前轮尾迹”改变车体重心，从而保持自行车平衡的理论也就站不住脚了。所以，“陀螺效应”和“前轮尾迹”这两个理论都被推翻了。

后来，科学界又提出了很多解释自行车为何能保持平衡的理论，但是没有一个能准确解释其原理。于是，这一问题至今仍然困扰着全世界的研究者们。