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1816年是歷史上的無夏之年,因為印尼的坦博拉火山於1815年爆發,它把大量灰塵送入高空,導致氣溫急劇下降,出現不可預知的天氣狀況和隨後的作物歉收、普遍的饑荒。當然,動物們也無法倖免。
為此,德國人德雷斯開始尋找並設計了可以代替馬匹的交通工具,他把自己設計的這個玩意成為會跑的機器,這就是現代自行車的鼻祖。
從誕生到現在也僅僅兩百餘年,但是在這一歷史進程裡,經過不斷的發明和改造,自行車的種類越來越多,功能也越來越強大,騎車雖爽,但是研究自行車的科學家們卻有些「不爽」。結構如此簡單的這樣一種交通工具,騎行過程中為什麼不會倒呢?關於它的穩定性原理,時至今日尚不得而知!
不僅如此,當人們在平地上把一輛自行車推行到一定速度後撒手,自行車也會無控制地穩定前行一段,即使中途擾動一下,它也能夠恢復穩定。
荷蘭達爾福特大學設計了一款自行車模型,沒有陀螺效應和前輪尾跡,在無人操縱的條件下,也一樣可以平穩行駛。
200 年來,為解開這個謎團,許多物理學家、數學家孜孜不倦地研究自行車穩定性的原理所在,以期尋求一個合理的解釋,他們發表了近百篇文獻,提出了各種可能。
可能性之一:陀螺效應
自行車前輪轉動時,它的離心力會幫助保持自身平衡,就像抽動旋轉的陀螺時,陀螺會圍繞著它的軸保持旋轉方向的慣性一樣。
在對自行車穩定性的解釋中影響比較大的一種說法是自行車前輪的陀螺效應,以至於在許多通俗讀物中都以這種觀點來解釋自行車的穩定性。
可能性之二:離心力效應
當自行車往一側傾斜時,騎車人就會將前輪轉向同一側,由於前輪轉了一個角度,自行車就會沿著傾斜側的圓周行進,這時離心力向圓周外,就會將自行車扶正。
可能性之三:腳輪效應
1970 年 4 月,英國化學家、科普作家大衛瓊斯在《今日物理》上發文質疑陀螺效應,他給自行車增加了一個與前輪並列反向旋轉的副車輪,以消除陀螺力矩。實驗結果證實,改裝車的行駛穩定性與一般自行車無異,從而否定了陀螺效應觀點。腳輪效應能使前輪的支承力產生對前叉轉軸的力矩,推動前叉朝傾斜方向轉動,使離心力效應的穩定作用自動實現。
可能性之四:多重效應綜合作用
陀螺效應、腳輪效應和自行車前部重心位置這 3 點,雖然不會各自對平衡力起決定性作用,但可能三者有一股微妙的交互關聯,影響自行車的平衡力。
在荷蘭達爾福特大學的停車場和籃球館,研究者們以每小時 8 千米的速度把這輛小車向外推了出去,它自己行駛了相當長的距離,如同任何一輛傳統自行車一樣,它能夠平衡自己。研究者甚至還在自行車自我行駛過程中略微推了它一下,很快這輛小車又自己調整到直線軌道。參與研究者瑞納說:「沒人知道這是為什麼。」該大學的另一名科學家阿諾德舒瓦特說:「這輛自行車證明,自我平衡還無法用任何簡單的詞來解釋。」
那麼,兩個輪子一個架子,構造如此簡單的自行車,為什麼想要弄清其穩定性的問題這麼難呢?
一些研究人員認為,要想理解自行車為什麼不倒,不只是要考慮力學問題,也許還要考慮腦科學。人類能用很複雜但卻很直觀的方式使得自行車保持穩定,例如在非常低的速度下,我們很容易就意識到,扭轉車把沒多大用處,相反我們會通過膝蓋運動來操控自行車。但是人們為什麼會這麼做,沒人知道,也許自行車的謎團將會繼續困擾我們。