问你个简单的问题：行进中的自行车为啥不倒呢？

  　　要问今年最火的是什么，相信不少人都会回答是共享单车。尽管“小黄”、“小蓝”们挤占了公共空间、影响了交通秩序，却也着实方便了人们最后一公里的出行，以至于有人将共享单车与网购、高铁、支付宝一起称为“新四大发明”。

图1 - 共享单车倡导绿色出行，给人们的生活带来了便利（图片来源：中国日报网）

 

　　自行车，是我们十分熟悉的代步工具。不过，一个“简单”的问题是，行进中的自行车为啥能保持平衡而不倾倒呢？

　　技术上的革新往往需要理论上的突破作为支撑，可自行车却是个例外，人们先发明了它，然后才研究它的运动原理。链条传动的自行车诞生至今已有一百多年，科学家们对其行进中的稳定性问题也研究了一百多年。然而，看似简单的问题却包含极为复杂的力学原理，如今仍无人能清晰完整地解答自行车凭啥可以成为“不倒翁”。

图2 - 20世纪初的自行车（图片来源：Wikipedia）

 

　　虽然谁也说不清，但还是有一些颇有影响力的解释，其中最流行的观点是陀螺效应。

　　啥是陀螺效应呢？顾名思义，它和陀螺有关。玩过陀螺的小伙伴都知道，当陀螺高速旋转后，其自转轴的空间指向将一直保持不变，如果你试图用手去改变自转轴的指向，会发现非常困难，这就是陀螺的定轴性。此外，我们还会看到，在离心力与重力的作用下，陀螺并不会倾倒，而是自转轴绕着某一旋转轴转动，这就是陀螺的进动性。由此看来，如果联想到地球的自转与公转，我们会发现一个有趣的现象：我们本身就生活在一个巨大的“陀螺”上！（推荐视频→：陀螺效应）

 

　　利用陀螺效应，人们发明了陀螺地平仪、陀螺半罗盘等仪表设备，可以方便地测出轮船的航向与飞机的姿态角。早期的科学家在对自行车进行一番力学分析后认为，正是自行车前轮的陀螺效应使它维持了稳定，当自行车前轮有向左或向右倾倒的趋势时，我们通过操纵把手给前轮施加一个力矩，前轮便因此由倾斜向直立方向运动。

图3 - 自行车前轮的陀螺效应（图片来源：Wikipedia，经作者汉化）

 

　　陀螺效应的解释很符合我们的直观感受，小伙伴们也可以在国内外诸多科普书籍中找到它的身影。可是，我们在路上常看到有些“牛人”骑车不握把手，这说明在不操纵前轮的情况下，自行车也能稳定行进，这又怎么解释呢？

图4 - 大撒把虽酷，却很危险（图片来源见水印）

 

　　1970年，一位名叫大卫·琼斯（David E.H. Jones）的英国科学家对陀螺效应的解释产生了质疑。为此，他在自行车前轮边上平行安装了一个不和地面接触、旋转速度与前轮相同的车轮。当附加的车轮与前轮旋转方向相同时，会使陀螺效应加倍，而当旋转方向相反时，整体的陀螺效应则会抵消为零。有意思的是，试验结果表明，无论陀螺效应加倍还是消失，都不影响自行车的稳定性。

图5 - 琼斯与他设计的可消除陀螺效应的自行车（图片来源：参考文献[2]）

 

　　既然不是陀螺效应，那是何原因呢？琼斯提出了一个“前轮尾迹”的概念，他认为由于“前轮尾迹”的存在，一旦自行车发生倾斜，便会自动产生一个将自行车扶正的偏转角。

图6 - 前轮尾迹的概念示意（图片来源：参考文献[1]）

 

　　琼斯的研究可谓一石激起千层浪，数十年来，科学家们前仆后继地投入到自行车稳定性的研究中。尤其自2006年琼斯的论文被重新刊登以来，自行车的稳定原理再次成为科学家们研究的热门，如今琼斯的论文已经被引用近200次（据谷歌学术数据）。

　　不过，人们的讨论越多，琼斯的“前轮尾迹”理论也就越被质疑。

　　2011年，一贯刊登生物、医药、化学等领域前沿研究的《科学》杂志，却发表了一篇有关自行车的研究论文。和《科学》杂志高大上的形象相比，这篇颇显“寒酸”的论文题目为“没有陀螺效应和前轮尾迹的自行车也能自稳定”。看到这个题目，小伙伴们一定猜到了这篇论文做了哪些事儿。陀螺效应的解释早已被琼斯否定了，而为了否定琼斯，研究者们制作了一种既没有陀螺效应也没有前轮尾迹的自行车模型，试验结果表明，这样的“两无”自行车仍然能够稳定行驶。令人遗憾的是，对于自行车为啥能稳定，论文的作者们却表示：不知道。绕了一圈，人们对自行车稳定性的认识又回到了原点。

图7 - 研究者们设计的既无陀螺效应也无前轮尾迹的自行车模型（图片来源：参考文献[3]）

 

　　和汽车、火车、飞机相比，自行车无疑是结构最简单的代步工具之一，然而简单的结构却掩盖了它复杂的动力学特性，科学家们用了一个多世纪依旧无法解答它的稳定性问题。人类对真理的探索仍然任重道远！