Question

自行车为什么能保持平衡？

Answer 1

   

    自行车为什么能保持平衡？这个看似简单的问题，在过去一个多世纪的时间里，困扰了无数得科学家，甚至到现在也没能完全被解决。

    其实在18世纪自行车就被发明出来，而最初的自行车，就是两个轮子加一个板凳，在经过几十年的升级和改造后，它才逐渐的变成了我们熟悉的模样，可以说自行车的诞生，与其它的发明产物不同。

      这是一次实践走到了理论前面的情况，直到有一天，科学家们发现，自己骑了这么久的自行车，但是完全不知道，自行车为什么能保持平衡。从此，从1869年到1970年这一百年间，科学家们发表了无数的论文，对自行车行使的稳定性，提出了各种模型，也列出了不同类型的微积分方程组。

    其中影响比较大的一种说法，就是自行车车轮的陀螺效应——陀螺效应指的是，旋转的物体有保持有保持其旋转方向的惯性。而自行车在运动的时候，此时轮子就类似于陀螺，角动量守恒使自行车保持不倒。无论从力学原理上来说，还是从骑车的感受来说，陀螺效应的解释都是行得通的，所以近百年来，这种观点流行比较普遍，以至于在许多科普书籍中，也是介绍这种观点的。

      但是人们发现，如果自行车只是因为陀螺效应，那么速度只要足够快，自行车就一定能保持平衡，但事实是，我们把自行车车轮的方向固定，从坡上推下，自行车并不能保持平衡。一个近百年来公认的理论，就这么简单的被推翻了。

    1970年，一位叫大卫•骏斯的英国人，在《今日物理》杂志上发表了一篇文章指出，当行驶的自行车，有一个倾斜角时，自行车的前轮由于有前轮尾迹效应缘故，会自动向倾斜的一侧产生一个偏转角，因为这个偏转角，自行车靠转弯的离心力便会扶正，因此即使没人驾驶，在一定的速度下，直行的自行车，运动也是稳定的。有了这个结果，人们似乎能够解释，自行车为什么能保持平衡了。

    但是到了2011年，五位学者在（科学）杂志上，发表了一篇文章，他们通过在自行车上增加一个与前轮反转的辅助轮子，以消除前轮的陀螺效应，而这辆车的前轮尾迹是一个很小的负值，这辆没有陀螺效应也不符合前轮尾迹的自行车，在无人操作的情况下，照样行使得很稳。

    他们的研究说明，自行车虽然构造很简单，但在一定的质量分布情况下，实际上是一种能够自动控制行驶稳定的交通工具。其原因既不是陀螺效应也不是前轮尾迹效应，他们并且对这个模型进行了理论探讨，列出了方程组，并且讨论了它的稳定行驶范围。事实上，自行车的平衡原理，是一个复杂而庞大的体系，就算是无人骑驶的自行车，目前科学家还不知道，什么样的变量与什么样的变量相结合，才能使自行车保持平衡。他们只知道一些变量可以计算，另外一些变量不可以计算。