为什么自行车没有倒下来,这是一个所有科学家都不明白的问题

自行车甫一出现,就成了人们喜爱的交通工具,不过刚刚诞生的自行车并没有引起科学家的注意,因为当时的自行车不过是一个“木马”。

其实这还不是最早的自行车,在上图的自行车上车轮已经有了辐条也有了控制方向的车把,不过原理上还是没有大区别,都是靠腿部力量来蹬地来获得前进的动力。

现代意义上的自行车诞生于1874年,这个时候的自行车已经有了链条和链轮,这样就可以不再靠脚蹬地来前进,可以用脚蹬链轮来驱动后轮前进了,这基本上已经是现代自行车了,1888年,英国一位兽医从自行车装上了充气轮胎,大大提高了舒适性和速度,这位兽医叫做邓禄普,这也就是现在轮胎巨头邓禄普的由来。

自行车经过近百年的发展终于走进了寻常百姓家,可是科学家又站了出来,对自行车的科学性提出了疑问。

我们中学时都学过,三个点确定一个平面,换句话来说只有三个点支撑才可以稳定,这在生活中随处可见,比如汽车有四个轮子,马车确实是两个轮子的,可是还有马的四条腿呀,只有这样才可以稳定前进,就拿最早的自行车来说吧,那是两个轮子和地面的交点还有一只脚构成了一个平面,这样的话,自行车就可以稳定行驶了。

可是后来的自行车是什么鬼?脚不用着地了,这就意味着只有轮子和地面接触的两个点了,这怎么可能稳定行驶呢?

不过实践是检验真理的唯一标准,既然两轮自行车已经稳定行驶了,那么就是正确的,至于道理嘛,就需要科学家去慢慢寻找了。

结果还真不好找,大家写了很多文章做了很多计算也解释不了自行车的稳定性问题。为此,1897年法国科学院就为此设置了奖项,法国科学院大奖可不是玩的,那可是比诺贝尔奖还牛的奖项,拉瓦锡欧拉这些名震科学史的大家都获得过科学院大奖,著名的证明光的波动性的“泊松光斑”也出自于法国科学院征文大奖,可以说谁要是解决了自行车稳定性的稳定性的问题就一举成名天下知了,可是没有人拿走这个大奖。

经过科学家们长期的探讨,人们认为自行车之所以不倒可能是由于陀螺效应。

听到陀螺是不是有一种恍然大悟的感觉,是啊,陀螺别说三个点连两个点都没有,就一个点和大地接触,不是照样不倒吗?可陀螺为什么不倒呢?这谁不知道呀,因为陀螺在转呀,可车轮也在转呀,这是不是说只要转起来就可以不倒呀。

咱们还是详细分析一下吧。

我们先做一个实验。

现在拿一枚硬币在平面上滚动,要是开始就让硬币稍微偏一点,就像下图一样向左偏,那么接下来,硬币就会向左边拐弯,倾斜角越大,拐的弯也愈大,最后就会倒在平面上。

下面我们来分析受力。

倾斜的硬币受到两个力,一个是作用在中心的重力,还有一个是地面支撑力,这两个力形成一个力偶,在这个力偶作用下硬币边滚边拐弯。

好了,搞清楚了原理,咱们就要简化了。

现在我们把以上滚硬币的情况化简化为下图,把硬币替代为图中的圆盘,圆盘还是受到两个力,一个是重力,不过我们为了使得讨论更加普遍化,将重力叫做力F,另外一个力就是支撑力,圆盘受到的力矩用M表示。

现在引入右手螺旋法则,就是电磁学的那个安培定则,安培定则并不只用在电磁学上,力学上照样成立,先来回忆一下安培定则吧。

安培定则就是将右手的大拇指指向磁场方向,再将其它四根手指握紧电线,则弯曲的方向决定电流的方向。

我们来类比一下,由于电流方向是环绕的,可以比作圆盘绕轴转动的方向,磁场方向就是大拇指的方向,也就是运动的方向。

要是不受到外力影响的话,圆盘就会一直运动下去,但是不受到外力影响是不可能的,比如摩擦力,受到外力影响后,圆盘的转动方向就会受到影响,那么就会转一个大弯后倒下来,这就是陀螺效应。

要是我们骑在自行车上的话,当然不能任由自行车倒下来,那么我们应该怎么办?当然是施加一个外力了。

当行进时自行车向左边倾倒,就是前轮向左倾斜,这时我们就应该操纵车把使前轮向左转,这相当于给前轮一个向左旋转的力矩,在这个力矩作用下,根据右手定则,前轮会由倾斜向直立方向运动。同样如自行车欲向右倾倒,即前轮向右倾斜,这时就通过车把使前轮向右转,这相当于给前轮一个向右旋转的力矩,在这个力矩作用下,根据右手定则,前轮会由倾斜向直立方向运动。

这样在我们的不断调整下,自行车就可以向前行驶了。

这种说法看起来挺有道理,可是却有人反对,他就是著名物理学家索末菲,索末菲就是一个神人,他是量子力学大家,他的学生几乎都是诺贝尔奖获得者,其中就包括著名的泡利,可遗憾的他自己没有获得诺贝尔奖。

索末菲认为:“由车轮的构造看出,陀螺效应是很小的。如果要加强陀螺效应,就应当尽可能用重的车轮的边缘和轮胎取代轻的。即便如此,这样弱的陀螺效应对于系统的稳定性才会有少许的贡献。”

索末菲是搞量子力学的,有点太“高大上”了,而自行车的问题有点太接地气了,可能有点专业不对口,而且他也是随口一说,也并没有指出陀螺效应弱到什么程度。

那么到底哪种说法正确呢?这还真没法说,作为科学大师,这种小问题对于索末菲来说确实是“高射炮打蚊子——大材小用”了,可是都是大师了,话能不能说全啊,你说陀螺效应很弱,好歹得说说多弱呀,就这么不明不白地说一句,有点不接地气呀。

对于科学家来说,说不清楚的时候最好是打一架,不对,那是很久以前的事情,都进入现代社会了,大家都是文明认,意见不一致的时候最好是做个实验,索末菲连说清楚都懒得,更不会去做实验了,毕竟有那个功夫,还不如去争取一下诺贝尔奖,要不一大群学生都有个诺贝尔奖章,自己没有也好没面子。

既然索末菲不做实验,那就由别人去做吧。

1970年,英国人骏斯造了一辆自行车,他的自行车比平常自行车多了一个车轮,不是三轮车啊,他多出来的这个车轮和前轮平行,不过转动方向相反,这就是说,多出来的平行轮就抵消了自行车的陀螺效应,按照陀螺效应理论,这样的自行车肯定是没法稳定地行驶的,因为陀螺效应抵消了呀,可是骏斯骑上他的自行车照样四处浪,这意味着陀螺效应不是自行车稳定前行的主要原因,看来索末菲说对了。

那么真正的原因到底是什么呢?骏斯想到了离心力,其实也不能算是他想到的,应该是他捡起了离心力这个说法。

离心力这种说法是铁木辛柯提出的,铁木辛柯比不上索末菲那种神人,不过也不是凡人,他是工程力学大师,现在我们的桥还有梁都是出自他的研究,让一个工程力学大师来解决自行车的问题,听起来要比索末菲要靠谱一些,不管怎么说,他的研究领域比起量子力学来要更接地气。

铁木辛柯认为当自行车往一侧倾斜时,骑车人就用车把将前轮转向同一侧,由于前轮转了一个角度,自行车的行进就沿着绕倾斜侧的圆周,这时离心力向圆周外,就会把自行车扶正。

铁木辛柯到底是搞工程力学的,人家的解释没有那么复杂,只是用了离心力这个概念,不过他的解释还是有一个问题,就是不能解释大撒把的情况。

我们骑车的时候,有时候兴之所至会来个大撒把,大撒把的时候骑车人可不能转动车把,这时候就算有外力干扰,自行车自己也能够回复稳定,这就是说自行车本身就有能够稳定前行的机制。

骏斯就发展了铁木辛柯的说法,他认为自行车主要还是靠离心力保持稳定,但是这个离心力不止是靠骑车人通过调整车把来实现,自行车本身也有这种能力,这就是前轮尾迹。

我们都知道,在自行车直立向前的时候,前轮也是直立向前的,要是我们让自行车倾斜一个角度呢,前轮也会相应地向倾斜一侧偏转一个角度,由于有这个偏转角,自行车靠转弯的离心力便会扶正,这样的话,就算没有人骑在自行车上,在一定的速度之下,直行的自行车也可以稳定向前。

这种前轮随着自行车倾斜而偏转一个角度的现象叫做前轮尾迹。

这种解释看起来很圆满了,不过还是有一个问题,那就是前轮尾迹和自行车的结构有关,这就是说,在第一代自行车出现的时候,人们已经无师自通地掌握了自行车产生前轮尾迹的结构了,听起来有些不可思议,但是也没准,世界这么大,什么事情不可能发生呢。

那么反过来呢?我们就制造一种产生不了前轮尾迹的自行车,那么看看还能不能稳定行驶呢?

2011年,还真有五位学者造了这么一辆自行车,这自行车和骏斯的一样,在前轮上设置了反向的平行轮,这是为了抵消陀螺效应,而且还对自行车的结构改变了一点,使得自行车的前轮尾迹为负值,这就是说,自行车向左倾斜,前轮呢就会向右拐,要是这种自行车不能行驶的话,那就说明骏斯是正确的。

可是这种自行车还真的能稳定行驶,这说明骏斯的说法也不完全对。

那么到底是什么在支撑着自行车驰骋在乡村和城市里穿行呢?只能说现在还是一个未解之谜。

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