问你个简单的问题:行进中的自行车为啥不倒呢?

作者:朱磊来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-09-13

自行车简单的结构蕴含着复杂的力学原理,至今还没人能说清它为啥不会倒。

  要问今年最火的是什么,相信不少人都会回答是共享单车。尽管“小黄”、“小蓝”们挤占了公共空间、影响了交通秩序,却也着实方便了人们最后一公里的出行,以至于有人将共享单车与网购、高铁、支付宝一起称为“新四大发明”。

图1 - 共享单车倡导绿色出行,给人们的生活带来了便利(图片来源:中国日报网)

图1 - 共享单车倡导绿色出行,给人们的生活带来了便利(图片来源:中国日报网)

 

  自行车,是我们十分熟悉的代步工具。不过,一个“简单”的问题是,行进中的自行车为啥能保持平衡而不倾倒呢?

  技术上的革新往往需要理论上的突破作为支撑,可自行车却是个例外,人们先发明了它,然后才研究它的运动原理。链条传动的自行车诞生至今已有一百多年,科学家们对其行进中的稳定性问题也研究了一百多年。然而,看似简单的问题却包含极为复杂的力学原理,如今仍无人能清晰完整地解答自行车凭啥可以成为“不倒翁”。

图2 - 20世纪初的自行车(图片来源:Wikipedia)

图2 - 20世纪初的自行车(图片来源:Wikipedia)

 

  虽然谁也说不清,但还是有一些颇有影响力的解释,其中最流行的观点是陀螺效应。

  啥是陀螺效应呢?顾名思义,它和陀螺有关。玩过陀螺的小伙伴都知道,当陀螺高速旋转后,其自转轴的空间指向将一直保持不变,如果你试图用手去改变自转轴的指向,会发现非常困难,这就是陀螺的定轴性。此外,我们还会看到,在离心力与重力的作用下,陀螺并不会倾倒,而是自转轴绕着某一旋转轴转动,这就是陀螺的进动性。由此看来,如果联想到地球的自转与公转,我们会发现一个有趣的现象:我们本身就生活在一个巨大的“陀螺”上!(推荐视频→:陀螺效应

 

  利用陀螺效应,人们发明了陀螺地平仪、陀螺半罗盘等仪表设备,可以方便地测出轮船的航向与飞机的姿态角。早期的科学家在对自行车进行一番力学分析后认为,正是自行车前轮的陀螺效应使它维持了稳定,当自行车前轮有向左或向右倾倒的趋势时,我们通过操纵把手给前轮施加一个力矩,前轮便因此由倾斜向直立方向运动。

图3 - 自行车前轮的陀螺效应(图片来源:Wikipedia,经作者汉化)

图3 - 自行车前轮的陀螺效应(图片来源:Wikipedia,经作者汉化)

 

  陀螺效应的解释很符合我们的直观感受,小伙伴们也可以在国内外诸多科普书籍中找到它的身影。可是,我们在路上常看到有些“牛人”骑车不握把手,这说明在不操纵前轮的情况下,自行车也能稳定行进,这又怎么解释呢?

图4 - 大撒把虽酷,却很危险(图片来源见水印)【备注:此图为动图】

图4 - 大撒把虽酷,却很危险(图片来源见水印)

 

  1970年,一位名叫大卫·琼斯(David E.H. Jones)的英国科学家对陀螺效应的解释产生了质疑。为此,他在自行车前轮边上平行安装了一个不和地面接触、旋转速度与前轮相同的车轮。当附加的车轮与前轮旋转方向相同时,会使陀螺效应加倍,而当旋转方向相反时,整体的陀螺效应则会抵消为零。有意思的是,试验结果表明,无论陀螺效应加倍还是消失,都不影响自行车的稳定性。

图5 - 琼斯与他设计的可消除陀螺效应的自行车(图片来源:参考文献[2])

图5 - 琼斯与他设计的可消除陀螺效应的自行车(图片来源:参考文献[2])

 

  既然不是陀螺效应,那是何原因呢?琼斯提出了一个“前轮尾迹”的概念,他认为由于“前轮尾迹”的存在,一旦自行车发生倾斜,便会自动产生一个将自行车扶正的偏转角。

图6 - 前轮尾迹的概念示意(图片来源:参考文献[1])

图6 - 前轮尾迹的概念示意(图片来源:参考文献[1])

 

  琼斯的研究可谓一石激起千层浪,数十年来,科学家们前仆后继地投入到自行车稳定性的研究中。尤其自2006年琼斯的论文被重新刊登以来,自行车的稳定原理再次成为科学家们研究的热门,如今琼斯的论文已经被引用近200次(据谷歌学术数据)。

  不过,人们的讨论越多,琼斯的“前轮尾迹”理论也就越被质疑。

  2011年,一贯刊登生物、医药、化学等领域前沿研究的《科学》杂志,却发表了一篇有关自行车的研究论文。和《科学》杂志高大上的形象相比,这篇颇显“寒酸”的论文题目为“没有陀螺效应和前轮尾迹的自行车也能自稳定”。看到这个题目,小伙伴们一定猜到了这篇论文做了哪些事儿。陀螺效应的解释早已被琼斯否定了,而为了否定琼斯,研究者们制作了一种既没有陀螺效应也没有前轮尾迹的自行车模型,试验结果表明,这样的“两无”自行车仍然能够稳定行驶。令人遗憾的是,对于自行车为啥能稳定,论文的作者们却表示:不知道。绕了一圈,人们对自行车稳定性的认识又回到了原点。

图7 - 研究者们设计的既无陀螺效应也无前轮尾迹的自行车模型(图片来源:参考文献[3])

图7 - 研究者们设计的既无陀螺效应也无前轮尾迹的自行车模型(图片来源:参考文献[3])

 

  和汽车、火车、飞机相比,自行车无疑是结构最简单的代步工具之一,然而简单的结构却掩盖了它复杂的动力学特性,科学家们用了一个多世纪依旧无法解答它的稳定性问题。人类对真理的探索仍然任重道远!

图8 - (网络图)【备注:此图为动图】

扫码加蝌蚪五线谱微信