不過這也可以理解，畢竟每個人選擇的天賦點不同。 但我也很好奇，除了人體自身的平衡感之外，還有什么可以讓自行車這樣的兩輪東西保持平衡呢？
于是我查了資料，原來一百多年來，自行車為什么不會翻倒的問題引起了無數物理學家和數學家的疑惑。
為此，他們用英語、德語、法語、俄語、意大利語等多種語言發表了數百篇論文。 法國科學院還為此設立了物理競賽。 而時至今日，這個問題還不能說已經徹底解決。
以至于網上很多文章甚至把“自行車為什么不會翻倒”寫成“世紀未解之謎”。
為什么這樣一個看似簡單的問題卻困擾了無數科學家一個多世紀呢？ 今天我想和大家講一個發生在自行車上的科學原理。
一、自行車平衡之謎的研究歷史
其實自行車早在18世紀就被法國人發明了，而這個可以稱為世界上第一輛自行車的東西與“自行車”無關。
它沒有驅動裝置，沒有踏板，甚至沒有方向盤！ 它看起來像一個有兩個輪子的長凳。 必須由人來推動才能前進。 大概就是這個動作。
什么？ 你想轉嗎？ 好的，請先下車，把車運走。
因為這個東西太原始了，嚴謹的德國人受不了，于是就加了一個方向可控的轉向系統，俗稱車把。 雖然還是要人在地上推來驅動，但至少不用背著走。
在接下來的幾十年里，歐洲許多國家的人們不斷改進和發展自行車的設計。 在此期間，它一度變成了非常反人類的形狀。 比如下面這個版本的自行車，如果你沒有腰，合力的話，你真的想都騎不走。
1874年，它終于被英國人勞森改造成了普通人可以乘坐的形式。
勞森發明了一種精密的機械結構，可以讓前輪通過鐵鏈在后輪的傳動下移動。 這就是我們現在所熟悉的鉸鏈。 比馬背還高的座椅終于有機會從直徑一米多的前輪移動到更低更遠的位置。
看到這里，我想車友們或多或少已經意識到，自行車從一開始就不是根據嚴格的物理和數學理論公式設計的。
它的誕生完全是人類生活經驗的產物。
但它的存在是合理的。 自行車不僅已經存在了近兩個世紀，而且還在不斷“進化”，甚至可以在不借助人力的情況下自行保持平衡。 如此神奇的現象，一定是有科學依據可以解釋的吧？
于是乎，科學家開始回溯推導它的設計原理，結果發現，嗯？ 這東西太玄學了，根本無法用現有的科學理論來解釋！
1869年，英國著名機械師、工程師約翰·蘭金發表了一篇題為《論自行車運動的動態原理》（On the of-pedes）的文章，這也是最早討論自行車平衡的論文。
1899年，英國數學家惠普爾建立了由車體質量、車輪半徑、轉向角等25個復雜參數組成的模型，研究不同參數對平衡的影響。
1910年，根據惠普爾的數據，德國物理學家索默·墨菲和數學家克萊因提出了“陀螺效應”。 這一理論也被公認為自行車平衡的秘密。 （PS：下面討論的穩定性都是“自穩定”，指的是自行車在無人操作下的穩定性）
2. 陀螺效應與角動量守恒
那么陀螺效應是什么呢？
陀螺效應有兩個特點，一是軸固定，二是進動。
例如，您小時候可能玩過陀螺。 玩過的同學可能會發現陀螺非常穩定。 即使遇到外界干擾，它的平衡也很難被破壞。
這是因為高速旋轉的物體會產生一個叫做“角動量”的物理概念。 學過初中物理的人都知道，力乘以力臂就叫“力矩”，所以動量乘以動量臂就叫動量矩，也就是角動量。
或者你也可以簡單的理解為一種旋轉的狀態。
我們還以陀螺為例。 當陀螺靜止時，它不能直立并保持平衡，但當它高速旋轉時，它會產生一個方向的角動量。 我們可以利用右手定則來確定角動量的方向。
此時陀螺儀的角動量方向垂直向上。 角動量的方向一旦形成，就極難改變，因此陀螺保持平衡。
這就是陀螺效應的固定軸。
但你會發現陀螺儀除了“自轉”之外，還會繞垂直軸“公轉”。 這種狀態稱為陀螺進動。
科普團隊“真理元素”曾做過一項實驗，將重達數十公斤的鐵餅一端固定。 當高速旋轉時，這個裝置可以完全戰勝重力，給人一種不合理的感覺，就好像有人在拉著另一端一樣。 仿佛懸在半空中。
如果換上更輕的自行車輪，那就更困難了。
這時，如果對這個高速旋轉的物體施加外力，就會出現兩種情況：
讓我們回到自行車上吧。
因為輪子旋轉的方向是恒定的，所以其角動量的方向將始終指向側面。 當輪胎旋轉得足夠快時，無論車上是否有人控制，它們都會保持幾乎恒定的方向。 ，即使傾斜，車體也不會隨便改變方向陀螺與角動量守恒，而是會平移。
這就是為什么，自行車越快，快速轉彎就越困難，因為你必須施加足夠的力來抵抗車輪的角動量。
我們生活中有很多現象都具有“陀螺效應”，比如水的漂浮。 如果總是失敗，很可能是因為石頭的旋轉速度不足以形成讓它保持方向的角動量。
還有飛盤。 從飛盤被拋出到落回你手中，整個過程始終遵循角動量方向不變的規律。
說到這里，想必大家都明白得差不多了。 不知道“陀螺效應”的理論能否說服你。 說實話，無論如何我還是被說服了。 這一理論長期主導著自行車研究界。
3. 瓊斯和他的前輪尾流
直到1970年，一位名叫瓊斯的英國化學家突然跳出來說，自行車之所以能保持平衡，并不是因為“陀螺效應”！ 但還有另一個原因。
這個男人確實不是在胡鬧。 他真的發明了一種可以抵消陀螺效應的自行車。
這輛自行車的特別之處在于它有一大一小兩個前輪！ 大前輪會在小前輪的傳動下向相反方向轉動，這意味著兩個輪子的角動量完全相反，相互抵消，所以這輛車成功消除了陀螺效應！
神奇的是，它也像普通自行車一樣保持平衡。
就這樣，一個被接受了近一百年的理論被推翻了。
那么如果自行車能夠保持平衡不是因為陀螺效應，那又是為什么呢？ 瓊斯研究員也給出了自己的理論解釋。
他說，自行車之所以能保持平衡，是因為自行車前輪的設計中有一種叫做前輪拖跡的東西。 簡單來說，就是自行車前叉的延長線與前輪中心垂線之間的距離。
了解汽車的朋友可能聽說過一個詞，叫主銷腳輪。 原則上，它與前輪拖距是一樣的。
為什么說這個東西是自行車保持平衡的關鍵呢？
你有沒有注意到，當自行車在行駛過程中翻倒時，自行車的前部會同方向旋轉，然后重心就會回到自行車前輪的底部。 發生這種情況是因為前輪的中心大于自行車的中心。 車把向前移動得越遠，重心就會朝一個方向移動轉向軸。
瓊斯還研究了負前輪尾跡的情況，即自行車的前叉向前傾斜。 在這種情況下，當自行車向一側傾斜時，車輪會向相反方向偏轉，使其很難保持穩定。 因此瓊斯認為，前輪拖距越長，自行車的平衡性就越好。
同樣，還有購物車和辦公椅的腳輪。 不管你怎么拉它們，這些輪子的前輪曳距永遠是一個正值，這樣的設計是為了讓它們的方向更加穩定。
嗯，這聽起來很合理。 差評人又信了。
4.《科學》雜志打破前輪尾流
2011年，五位學者在《科學》雜志上發表了一篇文章。 他們證明自行車仍然可以非常穩定地行駛，而無需陀螺效應或前輪拖曳。 如何實現呢，那就是造汽車。
他們制作了一輛更奇怪的自行車，先在前后輪上加了反向旋轉的輔助輪，然后把輪子的中心放在前叉前面。 所以這輛車既沒有陀螺效應，也沒有負前輪曳距。 當然，仍然可以保持平衡，穩步前進。
那么這輛自行車如何保持平衡呢？ 它利用車身結構來控制自行車的質量分布。 所以這五位學者得出的結論是不需要陀螺效應和前輪尾流。 只要在一定的質量分布條件下，就可以完全平衡。
但本文并沒有完全否定之前的研究。 相反，他們認為陀螺效應和前輪尾流理論非常重要陀螺與角動量守恒，因為他們發現自行車平衡的秘密早已被我們掌握。
你還記得英國數學家惠普爾在1899年建立的模型嗎？ 該模型由二十五個復雜參數組成，涉及兩個二階微分方程，這些方程的解表明，經過一個小擾動后，自行車的翻倒傾向會隨著時間的推移而衰減，直到它直立向前行駛。
用人的話說，如果自行車要翻倒，它一定會轉彎，而這個轉彎會讓自行車重新站起來。
所以他的研究解釋了為什么自行車不會摔倒。 “陀螺效應”和“前輪尾流”理論實際上解決了自行車為什么會翻倒后轉彎的問題。
除此之外，還有無數其他參數可能會影響穩定性。
例如，旋轉動量、車把傾斜、質心位置、前后部件的慣性等。用五位作者的話說：自穩定的一個簡單的必要條件是，必須有至少一個因素引起傾斜轉動。
換句話說，“陀螺效應”和“前輪尾流”并沒有什么問題。 它們既是自行車穩定性的充分條件，也是非必要條件。 這五位學者的研究增加了新的充分條件和非必要條件，即體重分布。
所以！ 騎自行車保持平衡并不是所謂的“未解之謎”。 只是在科學家的研究下，這個問題經歷了三次迭代，每一次都比上一次更完整、更深刻。
現在有自動程序可以模擬自行車的平衡。 您可以通過調整不同的參數來研究對自行車平衡的影響。 ()
未來，也許科學家會發現自行車保持平衡的新條件。
終于
看到這里，有的同學可能要問，為什么科學家要和自行車費勁呢？
其實我第一次看到這個問題的時候，也有同樣的想法。 每個人都已經可以輕松地騎自行車了。 如果你還在研究自行車為什么不會翻倒，那沒有什么實用價值。
但仔細想想，人類在科學上已經達到了前所未有的高度，從宇宙到深海。 但當他們低下頭的時候，卻連腳下的自行車都看不懂了。 這是為那些“一無所知、深感羞愧”的人準備的。 對于科學家來說，這簡直比強迫癥發作還要糟糕。
如果大家只停留在“這個已經可以用了，何苦再去研究”的層面，人類科學就不會進步。 無數的科技成果也來自看似無用的科學研究。
當法拉第用圓盤發電機演示電磁感應原理時，有觀眾問他：“這個東西有什么用？” 法拉第回答說：“剛出生的嬰兒有什么用呢？”
今天我們回想起來，可能會嘲笑那個觀眾的無知，因為我們知道電磁感應非常有用，是交流電的基礎。 但當時沒有人知道這一點，甚至法拉第也不知道。
牛頓研究引力不是為了建造飛機和宇宙飛船，而是為了探索自然規律。 正是有了這個科學基礎，無數子孫后代才能將科學理論轉化為現實應用。
科學是抽象的，它從不負責有用，只負責尋求真理。 探索、尋找這個世界的真相，是科學家畢生努力的意義。
