作為差評者,第一個想到的就是——自行車!
“你已經是一輛成熟的自行車了,當然可以自己騎了!”
只要速度足夠快,即使在巖石崎嶇的山路上(是的,周圍沒有人),自行車也可以自由地前進。
自行車可以說是人類有史以來發明的最高效、用途最廣泛的人力交通工具,也是我們生活中最常見的交通工具之一。
在荷蘭,人均自行車保有量一度飆升至驚人的每100人109輛。 一種用于提購物籃,一種用于山區戶外使用,一種用于母親攜帶孩子。 如果一個人擁有幾輛,那么合適的車就會比人還多。
然而,你可能想不到的是“自行車如何保持平衡?”的問題。 至今仍是困擾科學界一個多世紀的“未解之謎”!
要知道,自行車是法國人在18世紀末發明的。
而這個堪稱世界上第一輛自行車的東西,其實和“自行車”沒有任何關系。
它沒有驅動裝置,也沒有踏板。 它看起來像一個有兩個輪子的長凳。 它必須用腳在地面上“行走”才能帶動它前進。 還想轉? 好的什么叫角動量守恒,請先下來,扶住車體,然后改變方向。 。 。
這樣的設計看起來安全系數很低
幸運的是,這種賦予整個屏幕原始感覺的設計在幾年內得到了改進。
1817年,德國護林員德萊斯發明了一種可以控制汽車方向的車把。
雖然還是要人用腳來驅動,但至少不需要搬運和轉動。
1817 年自行車的復制品
至于騎行是什么感覺——
由于它完全是通過在地面上踩踏板來驅動的,所以人在上面移動的方式應該是這樣的↓
在隨后的幾十年里,自行車的設計被歐洲許多國家的人們不斷改進,并一代又一代地演變。 在此期間,它一度變成了非常反人類的形狀。 例如,以下版本的自行車讓你想坐在上面。 ,簡直比上馬還難。 。 。
騎自行車的難度曾經堪比雜耍
最后,在1874年,它被英國人勞森改造成每個人都可以使用的標準形式。
勞森發明了一種復雜的機械結構,我們現在稱之為鉸鏈。 利用鉸鏈,前輪可以在后輪的傳動下移動。 比馬背還高的座椅終于有機會從一米多的直徑展開。 儀表的前輪向上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。
它的誕生完全取決于人類的生活經歷!
然而,它的存在卻是合理的。 自行車不僅已經存在了近兩個世紀,而且還在不斷“進化”。 現在他們不需要人力的幫助就可以維持自己的平衡。 如此神奇的現象必定有科學依據來解釋。 酒吧?
于是乎,科學家們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!
自19世紀末以來,科學界發表了各種解釋自行車穩定性的論文。 最主流的觀點之一是什么叫角動量守恒,自行車的平衡原理是“陀螺效應”。
大家小時候肯定玩過上衣吧?
高速旋轉的陀螺無論遇到什么樣的外界干擾,其平衡都很難被破壞。
這是因為當物體快速旋轉時,會產生一種叫做“角動量”的物理概念。
我們以頂部為例。 當陀螺不旋轉時,它會因重力而翻倒,但一旦開始高速旋轉,它就會產生一個方向上唯一的角動量。
下圖中,紅色箭頭所指的方向就是旋轉陀螺儀角動量的方向。
使用右手定則確定角動量的方向
角動量的方向一旦形成,就很難改變。 也就是說,如果它的方向是向上的,那么很難改成右上或者左上。
角動量不是力,但它可以表達物體旋轉時的狀態。
而這種角動量的效應有多強大,看看下面的GIF你就知道了。 。 。
上圖左下角的陀螺儀不旋轉時,一松手它就掉下來了; 而當它高速旋轉時,產生的角動量甚至可以讓它克服重力的影響,在繩子上繼續旋轉。
即使質量更大的輪胎也是一樣的。
此時,如果對這個高速旋轉的物體施加外力,那么只有兩種情況。 首先,物體會平移以保持角動量的方向; 其次,物體將被迫終止其正在進行的運動并直接“飛”出去。 。 。 。
傳教士們明白,這實際上就是這樣。
生活中有很多現象遵循“陀螺效應”,比如水上漂浮。 很多人之所以浮不起來,大多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。
當玩飛盤時,飛盤遵循這樣的定律:從拋出飛盤的那一刻到落回到你手中的那一刻,角動量的方向保持不變。
當然,自行車也是如此。 只要輪胎的轉速足夠高,無論車上是否有人,它們都會保持幾乎恒定的方向前進。 (這就是為什么自行車突然轉得越快越容易翻車的原因)
這個理論是否足夠完整,足以讓你相信自行車的平衡原理是由于“陀螺效應”?
說實話,差評人幾乎完全信服了。 這一理論也長期主導了自行車研究界。 但到了1970年,一個叫瓊斯的人突然跳出來說:這根本不是因為“陀螺儀”。 影響”!
瓊斯不僅這么說,他還設計了一輛沒有陀螺效應的自行車,并進行了實驗,并發表在名為《今日物理學》的雜志上!
這輛定制自行車的特別之處在于它有一大一小兩個前輪! 大前輪在小前輪的傳動下會向不同的旋轉方向轉動。 也就是說,兩個輪子的角動量完全相反,相互抵消。 所以,這款車理論上已經成功取消了“陀螺儀”。 影響”!
奇跡般的是,汽車設法保持了平衡。 。 。 差評者感覺自己的人生觀受到了影響。 。 。
如果不是因為“陀螺效應”,那么自行車為什么能保持平衡呢?
瓊斯提出了一個新理論——“前輪尾流”理論。
聽起來相當先進。 簡單來說,就是因為車輪軸線比汽車的方向盤更靠前。 當汽車翻倒時,汽車前部也會向同一方向傾斜。
這意味著自行車行駛時,傾斜的自行車靠在自行車傾斜的前部,將重心變回到自行車重心的底部,以保持平衡。
親愛的朋友們,請仔細考慮一下。 騎自行車時,如果自行車即將向左倒下,你會本能地將車頭向左轉動以保持平衡嗎?
這個理論看起來很有道理,看了差評你就差點信了。
但2011年,又有人跳出來,做出了一輛挑戰極限的終極自行車——它不僅挑戰了“陀螺效應”,還推翻了“前輪尾流”理論。
這輛自行車有兩點特別之處:它有四個輪子; 同時,前輪的軸比車把更靠后!
前輪和后輪分別由兩個輪子組成,這兩個輪子的旋轉方向相反,也就是說前后輪的角動量是抵消的。
紅色箭頭表示角動量的方向
車把比前輪更靠后,這意味著依靠“前輪拖跡”來改變自行車重心并保持自行車平衡的理論不再成立。
問題是,這輛車真的能在不依靠人體控制的情況下保持平衡嗎?
答案是:當然。 。 。
據說,看過的科學家都哭了。 。 。 此后,直到今天,還沒有人找到自行車平衡原理的完美解釋。
或許看到這里你可能想問,為什么科學家要和自行車費勁呢?
因為這正是他們畢生努力的意義:探索世界的真相,發現世界運轉的真相。
至此,我們幾百年來已經非常成功了。 從宇宙的運行到微觀粒子,科學家都能找到合理的解釋。
但當他們低下頭,盯著自己從家到實驗室通勤所用的自行車時,卻發現自己連這么簡單的事情都不懂。 對他們來說,這就像一張平坦的白紙上的強迫癥。 就像發現一條不均勻的折痕一樣,令人不舒服。 。 。
而也正是因為科學家們這種永遠比較每一塊錢、自上而下尋找的精神,我們的科技才能不斷突破,新的想法永遠都是新的,不是嗎?
也許自行車之所以能保持平衡的真正原因在于競爭精神!