世纪未解之谜：自行车是怎么保持平衡的？

如果要问，迄今为止人类有过哪些 “ 成熟 ” 的发明。

差评君，第一个想到的就是 —— 自行车！

“ 你已经是辆成熟的自行车了，当然可以自己骑自己了！”

只要速度够快，哪怕是在布满了石头崎岖不平的山间小路上，自行车也可以自如前行（ 对，在无人的情况下 ）。

自行车可以说是人类发明过的最高效、万能的人力驱动交通工具了，也是我们生活中最常见的一种交通工具之一。

在荷兰，自行车的人均保有量曾一度飙到每 100 人就有 109 辆自行车的惊人数量。带菜篮子购物用的，户外对付山地用的，可以载孩子给妈妈专用的，一个人备上好几辆，妥妥的车比人多。

不过差友们可能想不到的是，“ 自行车到底是怎么保持平衡的 ”这个问题，至今仍然是个困扰科学界一个多世纪的“ 未解之谜 ”！

要知道， 自行车在 18 世纪末就已经被法国人发明出来了。

而这个可以称得上是世界上第一辆自行车的玩意儿，其实跟 “ 自行 ” 没有半毛钱关系。

它没有驱动装置，没有脚踏板，看上去就是个长了两个轮子的长条板凳，得靠脚在地上 “ 行走 ” 才能带动它前进，而想转向？好，人先给我下来，抱着车体再换方向吧。。。

这设计瞅着安全系数有点低

还好这个让整个屏幕都透露出原始气息的设计，没过几年就得到了改良。

在 1817 年，来自德国的森林管理员德莱斯发明出了可以控制车子方向的车把子。

虽然还是得靠人脚蹬地来驱动，但好歹，不用搬运转向了。

1817 年自行车的复刻版

至于它骑起来是什么样子 —— 

既然是靠全靠双脚蹬地驱动，人在上面动起来的样子，应该差不多是这样的吧 ↓ 

接下来的几十年的时间里，自行车的设计经过了欧洲多个国家的人不断改进，代代演变，期间一度变成了非常反人类的造型，比如，下面这个版本的自行车，想坐上去，简直比翻上马背还难。。。

自行车的驾驭难度，曾一度和杂耍齐飞

终于在 1874 年的时候被一个英国人劳森改造出了人人都可以使用的正常模样。

劳森发明了一种精密的机械结构，也就是我们现在所说的铰链，利用铰链，前轮可以在后轮的传动下运动，比马背还高的座椅也终于有机会从直径超过一米的前轮上移向更低更靠后的位置。

看到这里，估计差友们也多多少少体会到了，自行车，从一开始就不是依托缜密的物理学、数学理论公式设计出来的。

它的诞生，完全依靠人类的生活经验！

不过存在即合理，自行车不仅存在了快两个世纪，而且还不断 “ 进化 ”，到现在已经可以不借助人力自己保持平衡了，如此神奇的现象，肯定应该有个能用来解释它的科学依据吧？

于是乎，科学家们开始倒回去反推它的设计原理，结果发现，诶？这玩意儿玄学了，居然没法儿用现有的科学理论去解释！

从 19 世纪末开始，科学界就已经发布了各种论文来解释自行车的稳定性。其中最主流的一种观点认为，自行车的平衡原理是 “ 陀螺效应 ” 。

差友们小时候应该都玩过陀螺吧？

高速旋转状态下的陀螺，不管遇到怎样的外力干涉，它的平衡都很难被破坏掉。

这是因为物体在快速旋转状态下，会产生一种叫做 “ 角动量 ”的物理概念。

还是拿陀螺来举例子。当陀螺不转动时，它会因为重力倒下，但一旦它开始高速旋转，就会产生一个方向唯一的角动量。

在下面这张图中，红色箭头所指的方向就是旋转中陀螺角动量的方向。

用右手定则判定角动量方向

角动量方向一旦形成，就非常难以改变，也就是说如果它的方向是向上的，那就很难把它改变成朝向右上，或者左上。

角动量不是一种力，但它可以表达物体旋转时的状态。

而角动量的这一作用有多强大，看下面这张 GIF 你就知道了。。。

上图左下角的陀螺仪没有旋转时，一松手就掉了；而当它高速旋转时，产生的角动量甚至能让它战胜重力的影响，继续挂在绳子上旋转。

哪怕是质量更大的轮胎也一样。

而此时，如果对这个高速旋转的物体施加外力，只有两种情况，一，物体会为了保持角动量的方向而产生平移；二，物体会被迫终止正在进行的运动，直接 “ 飞 ” 出去。。。

差友们理解到这里其实就差不多了。

生活中有很多现象都遵循 “ 陀螺效应 ”，比如打水漂，很多人打水漂失败的原因，多半是因为石头的旋转速度还不足以形成让它保持方向的角动量。

以及玩儿飞盘，飞盘从被扔出去到落回到你的手里，过程中一直遵循角动量方向不变的规律。

自行车当然也一样了，只要轮胎的旋转速度足够高，不管车上是否有人操控，它们都会保持一个几乎恒定的方向平移前进，（ 这也是为什么，速度越快的自行车突然转向，越容易翻车 ） 

这套理论是不是足够完整，足以说服你 —— 自行车的平衡原理就是因为 “ 陀螺效应 ” 了呢？

实不相瞒，差评君也差不多完全被说服了，这套理论也主导了自行车研究界好长一段时间，但在 1970 年，突然有个叫琼斯的人突然跳出来说： 根本不是因为 “ 陀螺效应 ”！

琼斯不仅说了，还设计出了一个不带陀螺效应的自行车，做了实验发布在了一本叫 《 今日物理 》 杂志上！

这辆特制自行车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，也就是说这两个轮子的角动量是完全相反的，并且相互抵消，所以这辆车成功在理论上消除了 “ 陀螺效应 ”！

可神奇的是，这辆车也能成功保持平衡。。。差评君感觉三观受到了冲击。。。

如果不是因为 “ 陀螺效应 ”，那自行车又是因为什么才能保持平衡的呢？

琼斯提出了一个新理论 —— “ 前轮尾迹 ”理论。

听上去倒是挺高级的，简单来说就是因为车轮轴心比车的方向把更靠前， 当车倾倒时，车头也会朝同一个方向歪掉。

这就意味着在自行车行进的时候，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，得以保持平衡。

差友们仔细回想一下，骑车的时候，如果车就要朝着左边倒了，是不是本能地会把车头把向左边，来维持平衡？

这套理论看上去也很有道理，看得差评君又几乎信了。

可在 2011 年，又有人跳出来，做出了一个挑战极限的终极版自行车 —— 它不仅挑战了 “ 陀螺效应 ”，同时也推翻了 “ 前轮尾迹 ” 理论。

这辆自行车的特别之处有两点：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。

红色箭头表示角动量的方向

而车把比前轮靠后，意味着靠 “ 前轮尾迹 ” 改变车体重心，保持自行车平衡的理论也站不住脚跟了。

问题来了，这辆车真的还可以不靠人体掌控，自己保持平衡吗？

答案是：当然可以。。。

据说，看了的科学家都哭了。。。而在此之后，直到今天，依然没有人找出能完美解释自行车保持平衡的原理。

可能看到这里，差友们想问了，科学家为啥非得和自行车过不去呢？

因为这正是他们毕生努力的意义所在啊：探索这个世界的真相，找到这个世界运转的真相。

在这一点上，几百年来我们都做得很成功，从宇宙运行到微观粒子，科学家都能找到合理的解释。

但低下头，盯着自己从家里骑到实验室通勤用的自行车，发现自己竟然连这么个简单玩意儿都没弄懂，这对他们来说简直就像强迫症在一张平整的白纸上发现了一条抹不平的折痕一样，难受啊。。。

而也正是因为科学家们这样锱铢必较、上下求索的精神，我们的科技才得以不断被突破，常议常新，不是吗？

也许自行车保持平衡的真正原因，就藏在竞技精神里吧！

资料来源：

YouTube 视频：【Fun科學】腳踏車為什麼不會倒？，@佑來了

YouTube 视频：Gyroscopic Precession，@Veritasium

http://blog.sciencenet.cn/blog-39472-770407.html《 自行车的学问 》

“ 自行车其实是外星人丢到地球的垃圾 ”