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文／王洪鹏 孙晓亮 两个轮子加上一些简单的支架，组成了日常生活中最常见的交通工具——自行车。 骑自行车不是什么难事，不过要讲清楚行进中的自行车为什么不容易倒，即“自行车稳定性”的问题，可没那么简单。自行车只靠两个轮子和地面接触，但只要达到并不太高的速度，它就能够保持平衡而不会倾覆；有些技术高超的人甚至可以双手离开车把而不担心摔倒。 关于自行车稳定性的研究吸引了许多物理学家、力学家乃至数学家参与讨论。1897年，法兰西科学院还为此特别设立了一个奖项。 然而，这个看似简单的问题历经百余年的研究，至今仍然没有圆满解决，许多人还在继续努力。 2011年，一个国际研究小组在著名的《科学》杂志上发表论文，介绍了他们的成果。结论听起来可能有点令人泄气——“为什么自行车能够保持自我稳定，目前还没有简单的物理学解释。” 呵呵，这是在逗我吗？没有解释也可以发《Science》？ 不过，他们发现了一些有用的线索。简而言之，就是——“我不知道什么是对的，但我好像知道了什么是不对的。” 以前的研究将自行车行驶的稳定性部分归因于车轮的陀螺效应，也就是物体转动时的离心力会使其自身保持平衡。还有一些科学家认为，自行车能够保持平衡，主要是由于前叉后倾，即前叉不是垂直于地面，而是向后倾斜。 但是，这篇神论文的作者们对此抱怀疑态度。他们设计了一辆排除了陀螺效应和前叉后倾的自行车。实验结果令人大感意外。研究人员把这辆车推行到一定速度后撒手，它自己稳定地行驶了相当长的距离，如同任何一辆传统的自行车一样。研究人员甚至在中途微微推了它一下，它也能很快恢复稳定。 实验说明，陀螺效应和前叉后倾并不是自行车保持稳定的关键原因。实验还显示，质量分布可能对自行车的平衡起到很大作用。 此后，他们又继续展开研究。2014年，他们又发明了一种无论怎么倾斜也不会倒下的车子。这种车是自行车和三轮车的混合体，后轮两侧各加装了一个辅助轮，看起来有些像儿童自行车。 两个辅助轮由弹簧控制。弹簧松开时，这辆车和普通自行车没什么区别，转弯时骑车人通过倾斜身体来保持平衡；弹簧紧绷时，它就成了一辆三轮车，车辆和骑车人都不需要倾斜，而靠后轮的作用来拐弯；当弹簧处在某个临界点时，这辆车不管怎么倾斜都倒不了，此时如果骑车人试图扭转车把来拐弯就会翻车。研究人员希望借此研究骑车人究竟如何操控自行车并保持稳定，进而研制出更易操控的自行车。 自行车稳定性问题确实非常复杂，要彻底解释清楚，还必须从脑科学角度进行思考。人类能通过极其复杂的直觉来保持骑行的稳定。例如，在速度非常低的情况下，我们很容易意识到，扭转车把已无法控制方向，于是很自然地通过摇晃膝盖来操控自行车。 我们为什么会这么做？到目前为止还没人能回答。看来自行车的谜团将会继续困扰我们。 本文选自《科学画报》 头条号发表时有改动 转载请保留作者，注明转载自科学画报 |
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