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一個常見的物理現象,卻困擾科學家數百年的時間,至今都無法解釋!
2023/03/09

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地球是一顆美麗的藍色星球,在地球上生活著很多生物,有海洋生物、有陸地生物、有兩棲生物和微生物等等,人類是地球上最有智慧的生命,根據達爾文的進化論我們能夠知道,地球上的生物都是由簡單生物進化而來的,由最初的單細胞生物進化為多細胞生物,由多細胞生物進化為海洋生物,由海洋生物進化為兩棲生物,由兩棲生物進化為陸地生物,人類就是由陸地生物猿類進化而來的。

在200多萬年前,猿類生物生活在地球上,當時地球上還生存著很多其他的生物,猿類生物為了能夠長久的發展下去,于是它們選擇了群居生活,這樣既能夠有效的抵抗外來侵略者,還能夠促進大腦的發育,由于猿類生物長期在一起生活,所以猿類的大腦變得越來越聰明,最終成功進化為人類。

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人類從誕生以后就開始不斷的探索世界的奧秘,為了能夠更好的了解世界,人類發明了很多先進的交通工具,比如說汽車、腳踏車、火車、飛機、火箭等等,這些先進的交通工具給人類的出行帶來了很大的便利,尤其是腳踏車,腳踏車的發明對人類出行起到了非常重要的作用,它是人類近代社會最常用的交通工具,也是人類最成功的人力機械之一,早在1790年,法國科學家將兩個輪子裝在木馬上,人騎在上面就能夠用腳蹬地前行,當時人類把這種裝置稱為是木馬輪,後來到了1816年的時候,德國的馮德賴斯男爵發明了有車把可控制方向的木輪車,并且在1818年的時候獲得了專利。

在1861年的時候,法國米肖父子發明發明了前輪大后輪小、前輪上裝有曲柄和能夠轉動的踏板的腳踏車,并于1867年的實惠在巴黎博覽會上展出,在1886年,英國工程師為腳踏車裝上了前叉和車閘,讓前后輪的大小相同以保持平衡,并用鋼管做成了菱形車架,基本和現在的腳踏車一致,如今腳踏車已經成為了家喻戶曉的出行工具,現在腳踏車的種類非常多,有山地腳踏車,普通腳踏車,死飛車、小輪車、旅行腳踏車、折疊腳踏車等等,對于不同的人群,腳踏車的種類也是不同的。

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雖然現在很多人都會騎腳踏車,但是大家有沒有想過一個問題,就是為什麼腳踏車能夠保持平衡?對于這個問題,科學家們也非常感興趣,而且很多科學家將腳踏車組裝、拆分,目的就是為了研究腳踏車平衡的原理,為此,在1897年的時候,法國科學院還為腳踏車穩定運行問題設立了專門的獎項,獎金非常高,在之后的時間內,不斷有科學家挑戰這個獎項,但是最終挑戰者都失敗了,有一些科學家認為腳踏車能夠保持平衡,主要是因為慣性,發現物體具有慣性,代表著現代物理學的開端,這件事情從伽利略開始奠基,到牛頓出現以后完成了經典物理學的高樓。

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科學家認為,物體不會自己動起來,這種保持靜止不動的慣性是很好理解的,當物體可以始終保持在勻速直線運動狀態之下,就很不符合常識,慣性是物體保持原來運動狀態的特性,是物體的固有狀態,而品質是慣性的唯一度量,這是現在對慣性的定義,慣性定律是牛頓第一定律的基石,也被稱為是第一原理,在19世紀的時候,馬赫并不滿意這個概念,它認為慣性不是物體自身的固有屬性,而是宇宙中其它物質作用的結果,在非慣性系中,物體所受到的慣性力不是虛擬的。而是一種引力的表現,是宇宙中其它物質對它的總作用。那麼什麼是引力?

著名的物理學家牛頓認為,引力和時間沒有關系,它是超距作用,瞬間完成的,而空間和時間也沒有關系,兩者都是分開的,牛頓認為時間和空間都是剛性的,對于任何人來說都是一樣的,這也被稱為是牛頓的絕對時空觀,後來愛因斯坦出現以后,提出了狹義相對論,在狹義相對論中,愛因斯坦統一了時空和空間,他認為時間的間隔也就是鐘的運動和空間的長度都會因為運動而發生改變,這也被稱為是鐘慢效應和尺縮效應,後來愛因斯坦又提出了廣義相對論,在廣義相對論中,他認為慣性力適用于平直的四維時空,而引力的時空則是彎曲的四維時空。

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牛頓和愛因斯坦都被稱為是人類歷史上最偉大的科學家,不過他們對引力的理解卻是不同的,簡單來說就是,愛因斯坦的觀點告訴我們,物質告訴時空怎麼彎曲。時空告訴物質怎麼運動,後來經過科學家的多次實驗,科學家發現在遠低于光速的前提下,牛頓的萬有引力定律能夠解釋一切物體的運動,但是當物體的飛行速度達到光速或者超越光速時,牛頓的萬有引力定律就是出現誤差,這個時候就需要用到愛因斯坦的相對論,在光速情況下,相對論能夠準確的解釋物體的運動,可以說兩者都有各自的優點。

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而慣性就是對物質不停地在時空中運動的體現,是對物質存在形式的體現,物體就是這樣存在的,因此物質具有這樣的慣性,那麼腳踏車能夠保持平衡僅僅是因為慣性嗎?如果是慣性,那麼靜止的物體也是有慣性的,但是如果腳踏車靜止以后,不將支架放下了,腳踏車也會摔倒,所以有很多科學家認為,腳踏車能夠保持平衡不僅僅是因為慣性,它還應該擁有陀螺效應,相信我們很多人在小的時候都玩過陀螺,陀螺效應是旋轉物體即使在存在外力的情況下,也能夠保持其旋轉軸的趨勢,這種效果能夠通過陀螺的旋轉或者旋轉的腳踏車車輪的旋轉來證明。

當我們騎著腳踏車行駛時,腳踏車的車輪在不停的轉動,就會產生陀螺效應,有助于保持腳踏車的平衡,車輪旋轉的速度越快,腳踏車就會變得越穩,這就是為什麼腳踏車在高速行駛時要比低速行駛時更容易保持平衡的原因,不過如果僅僅是陀螺效應的話,也不足以讓腳踏車一直保持平衡,畢竟如果沒有人控制前方,腳踏車也是會摔倒的,除了陀螺效應之外,科學家認為還應該存在離心力效應,什麼是離心力呢?現在我們都知道,任何有品質的物體都是有引力的,我們的地球對地面上的一切物體都會產生引力,根據牛頓的萬有引力定律我們能夠知道,物體的品質越大,它的引力就越大。

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在太陽系的八大行星當中,太陽的品質占到了太陽系總品質的百分之99.86,剩下的八大行星和其它物質占到了太陽系總品質的百分之0.14,從占比上來看,我們就能夠知道太陽的品質是最大的,由于太陽的品質很大,所以太陽能夠產生足夠的引力,這樣使得八大行星和其他物質都必須朝太陽靠近,不過八大行星和其它物質為了不被太陽吞噬,于是它們不停的自轉和公轉,自轉和公轉能夠產生離心力,離心力和引力相互平衡,所以八大行星能夠穩定的圍繞太陽轉動,而腳踏車能夠前進和離心力也是有關系的。

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當腳踏車朝一側傾斜時,騎車的人就會將前輪轉向同一側,由于前輪轉了一個角度,腳踏車就會沿著傾斜測的圓周進行運動,這時候離心力像圓周外,就會將腳踏車扶正,在1948年的時候,美國力學家鐵木辛科和楊在他們所著的《高等動力學》中,對腳踏車的穩定性問題作出了離心力效應的解釋,不過盡管如此,還是有很多人認為,腳踏車能夠保持平衡,不僅僅是因為離心力,腳踏車能夠保持平衡行駛,除了各種力的作用外,還有很多技巧在里面,比如說騎車人的技術,對于騎車人來說,他對平衡的掌握很強,腳踏車就能夠保持平衡行駛,像有的人平衡感很差,那麼他們騎上腳踏車之后就會摔倒。

為了解釋腳踏車平衡的原理,科學家們也是想盡了一切辦法,還有的科學家認為是多重效應疊加在一起的原因,在2011年的時候,《科學》雜志刊登了一篇名為《一輛腳踏車可以不借助陀螺或腳輪效應而保持平衡的論文》,為此他們專門設計了一款沒有陀螺效應和腳輪效應的腳踏車,這輛腳踏車包含了車身、前叉、前后輪等必備因素,經過測試之后,他們認為腳踏車重量分布對平行來說起到了非常重要的作用,尤其是腳踏車的前面,能夠極大程度的影響腳踏車的穩定性,幾百年來,科學家一直對腳踏車平衡非常感興趣,雖然腳踏車對于我們普通人來說,是一件在正常不過的東西,但是對于科學家來說,它身上隱藏了很多秘密。

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除了一些主流觀點之外,還有一些人認為,腳踏車能夠保持平衡是因為夾角作用,有的人指出腳踏車的車把手和前車輪當中的垂直線之間是有家教的,這一夾角消弱了傾倒的傾向,不過這也是基于腳踏車前后重心的不同,他們認為在腳踏車后輪的多個裝置產生的重量會使得后輪的重心變低,前輪一旦有傾倒的情況,就會傳遞個后輪,這種夾角在腳踏車的平衡當中起到了非常重要的作用,雖然不同的科學家對腳踏車的平衡原理提出了很多說法,這些說法有具有一定的道理,但是沒有一個理論能夠完美的解釋這個問題。

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既然如此,那麼就說明在這個世界上,一定還存在人類沒有認知到的物理盲區,這就好比我們的物理學,從人類誕生以后,人類就在不斷的探索世界的奧秘,從西方哲學的開始,到哥白尼的日心說、伽利略、牛頓、薛定諤、愛因斯坦、霍金等等,這些偉大的科學家給人類科技發展起到了非常重要的作用,不過即便如此,目前人類對世界的認知還是有限的,就目前為止,人類的物理學還存在很大的漏洞,我們看似已經解決了所有的問題,但其實我們離解開世界的奧秘還差的很遠,目前相對論和量子力學已經成為人類物理學兩大支柱。

即便是這樣,科學家現在也無法將相對論和量子力學融合在一起,在我們的宇宙中存在四大基本作用力,分別是引力、強相互作用力、弱相互作用力、電磁力,在量子力學中,強相互作用力、弱相互作用力、電磁力都能夠完美的解釋,但是量子力學無法解釋引力,引力只能夠用經典力學和相對論來解釋,但是經典力學和相對論無法解釋強相互作用力、弱相互作用力和電磁力,雖然一個是解釋巨觀世界的,另一個是解釋微觀世界的,但是按理來說,巨觀世界和微觀世界其實都是一樣的,它們都隸屬于同一個世界,無數的微觀粒子能夠組成我們看到的巨觀世界。

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所以微觀世界和巨觀世界應該能夠用同一套理論來解釋,目前人類的物理學還無法做到,這說明人類的物理學還存在漏洞,而這僅僅是人類已知的漏洞,在我們的世界上,一定還存在很多我們不知道的物理知識,如果我們能夠將世界上所有的物理知識全部破解,那麼我們早就已經飛出太陽系,解開宇宙的奧秘了,在浩瀚的宇宙中,隱藏著很多我們不知道的奧秘,不過小編認為,人類是地球上最有智慧的生命,人類的科技在不斷的進步和發展,未來隨著人類科技的進步,說不定人類能夠解開腳踏車行駛的奧秘,希望這一天能夠早日到來!

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