大家有没有想过一个问题,骑自行车的时候,明明看起来摇摇晃晃的,但是却不会倒下去,这到底是为什么呢?这个问题,其实也困扰了科学家150多年,甚至一度引发了学术界的争论。那么,这背后的原因,到底是什么呢?
1869年,法国科学家吕西安・马雷,第一次认真研究了这个问题。他注意到,自行车的轮子转起来像陀螺,于是就提出了“陀螺效应”,认为这是保持自行车平衡的关键。
这个说法确实流行了很久,直到1970年才被“打脸”。当时,物理学家戴维・琼斯做了一个反常识的实验。他造了一辆特殊的自行车,在后轮上加了一个反向旋转的飞轮,抵消了陀螺效应。结果呢?这辆自行车照样能骑,只是转向时会稍微费点劲。
因此,这说明了一个问题,陀螺效应确实有作用,但不是关键所在。根据现在的测算,陀螺效应最多只能解释20%的平衡原因。而真正让自行车保持平衡的原因,是骑车人的动作和车子本身的设计。
大家可能没有注意到,自行车车架不是完全对称的。前轮的轴线其实稍微往前倾斜,专业术语叫“前叉后倾”。这个角度一般是7-10度,就是车把轴线和地面的交点,在前轮接触点的前面一点。
这个设计特别的巧妙,当车子往左边倾斜时,前轮会自动向左转一点,车身就会产生向右的离心力,把车子“拽”回平衡的位置。这就像你走路歪了一下,脚会下意识往歪的方向迈一步进行纠正。
对此,科学家还做过实验。把一辆自行车固定住,再以5公里/小时的速度,让自行车自己向前滚动。发现就算没有人骑,也能保持平衡20多米。这说明自行车本身的结构,就自带了一部分平衡能力。
当然了,就算自行车再智能,也离不开骑车人的操作。对于会骑自行车的人来说,每次骑车的时候往往都会做两个动作。
比如,转弯时,人会下意识往弯道内侧倾斜,让整个身体的重心始终保持在两个轮子之间的垂直线上。还有,当车身开始倾斜时,骑车人会先往倾斜方向转一点车把,利用离心力把车身扶正,然后再回正方向。
那么,如今有完全自动平衡的自行车吗?
其实,还真有。2011年,科学家研发出了一款不需要人骑的自行车,它通过两个小型陀螺仪和电机来调整方向,能在平地上自己走,甚至能躲过障碍物。
但是,它的原理和人骑车不太一样。人工骑车是“被动平衡”,靠身体和车子的配合。而自动自行车是“主动平衡”,靠传感器和算法实时修正。这说明科学家已经摸清了平衡的核心机制,但是要完全模仿人类的本能反应,还差得远呢。
所以,目前科学家的共识是:自行车不倒,是“陀螺效应+前叉后倾设计+骑车人动作”三者结合的原因。其中,其中骑车人的动作占60%,车子设计占30%,陀螺效应占10%。