自行車騎起來為何不倒?科學家想了200年,至今仍是未解之謎

2020-12-17 騰訊網

縱覽人類的生活方式,20萬年前與10萬年前相比,幾乎沒有太大的改變;600年前與500年前相比,同樣沒有太大的改變。而如果將現在和100年前相比,那完全可以說是天翻地覆的改變。

為什麼會有如此之大的變化呢?其實這得益於科技的幫助。經過近百年的實踐總結,人類早已意識到科技是第一生產力,人類的每一次進步,都離不開科技的推動。

然而,科技的發展從本質上看,其實就是科學的發展,因為科技實際上是科學在物質世界中的具體映射。如果將科學和科技看作一輛高速行駛的汽車,那麼科學則是這輛汽車的方向盤和發動機,它為科技的發展指明了方向、提供了動力。

雖然人類在科學的幫助下認識了世界,了解了宇宙中諸多的奧秘,但是科學也並不是萬能的,在我們的日常生活中,就有許多常見的物理現象科學根本無法解釋,例如一個非常「簡單」的問題——自行車為什麼騎起來不會倒。

可能許多人會對此感到非常詫異,要知道自行車都發明兩百年了,怎麼會不知道其中的原理呢?然而事實就是如此,這個「簡單」的問題科學家們已經思考了200多年,可至今仍然是個未解之謎。

就連世界最權威的學術期刊之一《科學》(Science)雜誌上,都刊載了好幾篇關於這個問題的論文。

當然了,雖然沒弄明白自行車騎起來不會倒的確切原因,但是這群連宇宙大爆炸都能搞明白的科學家們,還是將可能的原因縮小到了有限的幾個方面。

第一種可能是「陀螺效應」。在對自行車穩定性的解釋中,這種說法流傳得最為廣泛,許多科普讀物中都喜歡用這種方法,來解釋自行車騎起來為什麼不會倒的問題。

簡單來說,當自行車的前輪轉動的時候,其自身的離心力會讓它自身保持平衡,這就像高速轉動的陀螺一樣。

陀螺在高速旋轉的過程中,會始終圍繞著它的自轉軸,保持旋轉方向的慣性,從而能夠在受到外力的情況下一直旋轉。

第二種可能是「離心力效應」。1948年,著名力學專家 S.P.鐵木辛柯和D.H.楊,在其合著的《高等動力學》一書中,也曾對自行車能保持自我平衡的問題進行了探究。

中間為S.P.鐵木辛柯

他們認為,當自行車向某個方向傾斜時,騎車的人就會將前輪向傾斜的一側轉,由於前輪方面變了,但是前進的動能還在,自行車就會沿著前輪所在的傾斜圓周進行運動,此時產生的離心力就會將自行車扶正,從而保持自身的平衡。

第三種可能則是「腳輪效應」。1970年,英國化學家、作家大衛·駿斯( David E.H. Jones),在當時一個普通的科學雜誌上發表了一篇文章,文中稱自己發明了一輛沒有用到「陀螺效應」的自行車,而這輛自行卻能夠正常的行駛,且保持自身的平衡。

大衛·駿斯的方法很巧妙,他在普通自行車的前輪邊上,增加了一個大小粗細都相同的輪子,在運動的過程中,這個後加上去的輪子和原本的輪子旋轉方向相反,但是旋轉速度卻是相同的,這樣就從根本上抵消了「陀螺效應」帶來的平衡性。

他的這一巧妙設計,對後來研究者的啟發很大,因為他用事實從根本上證明了,自行車之所以能夠保持自我平衡,和單純的「陀螺效應」沒有任何關係,或者說不是主要原因。

由此相關科學家也提出了一個新的想法,當自行車在運動中產生一個傾斜角時,由於前輪有前輪尾跡,所以後輪同樣也會向傾斜方向產生一個類似的傾斜角時,在這種情況下離心力便會將自行車扶正。

也就導致了,即便在沒有人操控的情況,直接將自行車推出去,自行車也能保持自我平衡的運動一段時間。

在綜合了上面三種可能性之後,便出現了第四種可能性。這種可能性認為,單靠陀螺效應、腳輪效應和離心力是無法讓自行車保持平衡的,只有這三種力結合在一起,也就是它們中間有一種微妙的聯繫,正是這種聯繫使得自行車能夠平衡不會倒。

簡單來誰,當一個物體具有速度之後,都會產生一個保持其速度不變的趨勢。當自行車速度足夠快的時候,向兩邊傾斜的動能會小於自身速度產生的動能,所以我們只需要給自行車一點點的力,它就能一直保持平衡。

而當自行車轉彎的時候,傾倒地力又小於產生的向心力,所以轉彎的時候同樣也能保持相對平衡。

當自行車在沒有被施加外力,速度漸漸減小直至停止的時候,由於沒有任何力來限制傾倒的力,和它達成一種平衡,所以這時就需要人用腿支撐著整個自行車,重新和傾倒力達成平衡狀態,這樣自行車才不會倒在地上。

當然了,這些分析只是幾種可能的答案,並不是這個問題的標準回答,如果真的這麼簡單就被解答,自行車的平衡問題也不會讓科學界束手無策200多年,至今仍是未解之謎。

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