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一個常見的物理現象,卻困擾科學家200年,直至今日還是未解之謎
2023/03/04

綜述

想必大家都有騎腳踏車的經歷,腳踏車構造非常簡單,車架、輪胎、腳踏、鏈條、剎車,這些東西合理組裝就足以讓我們在騎行過程中保持平衡。 可是大家想過沒有,為什麼腳踏車在騎行的過程中能保持平衡而不是東倒西歪?

這或許是一個再常見不過的物理現象,但卻始終沒有人能解釋其真正原因。別說普通人了, 早在200年前科學家就曾嘗試解釋過腳踏車平衡原因,但可惜直到現在都還是未解之謎。

腳踏車的起源與發展

作為近現代社會最常用的交通工具,腳踏車大概是人類發明的最成功的人力機械之一。它的各項零件都屬于簡單機械, 可就是這些簡單機械經過技術組裝,就能誕生成一部復雜機械,對此我們不得不佩服前人的智慧。那你知道腳踏車最早是被誰發明出來的嗎?

根據相關記載,腳踏車最早的雛形是由法國西夫拉克伯爵在1790年組建的「木馬輪」。

木馬輪實際上沒有太大的技術含量,據說是西夫拉克伯爵在看到達芬奇的手稿后突發靈感,將兩個輪子裝在木馬上,然后由人騎在上面用腳蹬前行; 速度快,且輪子易磨損。

1816年,德國貴族馮德賴斯男爵在西夫拉克發明的基礎上增加了可控車把, 嚴格意義上來說此時腳踏車已經不能被叫作「木馬輪」,而是叫「木輪車」,這其中的區別在于馮德賴斯男爵放棄了傳統木馬的造型,使得車身更輕便。

隨后馮德賴斯男爵向相關機構申請專利,成功獲批。

約23年后,蘇格蘭鐵匠打麥克米蘭看中了馮德賴斯男爵發明的「木輪車」,只是鐵匠這份職業讓他對木材并不感冒,在麥克米蘭的心中, 腳踏車的材質如果是鐵來制作,那在使用壽命和穩定性上一定遠超木材。

基于這份靈感,他制成了由曲柄連桿結構驅動后輪的鐵腳踏車。

其實到那時為止, 腳踏車的基本結構就已經被確定下來了,后人無非是在發明前輩的基礎上縫縫補補。

如1861年法國肖米父子在腳踏車上加入能轉動的踏板,前后裝有曲柄;1874年英國人勞森在腳踏車上增加了鏈條傳動結構; 1886年斯塔利首次使用了車閘和滾珠軸承;1888年鄧洛普成功應用充氣橡膠輪胎。

自此,腳踏車基本上已經趨向于完善。從19世紀末期到21世紀初,腳踏車對人類生活的改變無疑是巨大的,往年大家出行窮人靠兩條腿,富人有馬車和轎車。

但腳踏車普及后,幾乎家家戶戶都能買起這輕便且快速的交通工具, 直到現在仍然有不少人使用腳踏車,這是一個非常偉大的發明。

腳踏車為什麼能保持平衡

與此同時,人們對腳踏車的喜愛也讓科學家對其研究頗為重視。 當然,科學家研究的并非是腳踏車的組裝與拆卸原理,這些東西經過百年發展早就沒什麼秘密了;

他們更在乎的是:腳踏車到底是如何保持平衡的呢? 咱們都知道,腳踏車本身沒辦法保持平衡,它需要有支架撐起來才能立起來。

可是當腳踏車被騎行起來后,它就能非常平穩的在道路上行走, 這看似生活中最常見的物理現象,但是經過幾代科學家都沒能解釋清楚。

對此法國科學院還在1897年為腳踏車穩定運動問題設立了專門獎項,獎金還不菲; 往后的時間里,不斷有科學家挑戰這個獎項,但很可惜大家都失敗了。

不過在學術界仍然誕生了不少理論,盡管這些理論經不起嚴謹的實驗,仍然停留在猜想階段。

例如部分科學家認為,能使腳踏車在移動中保持平衡的,大概是「陀螺效應」,即:重力對高速旋轉中的物體產生的對支撐點的力矩不會使其發生傾倒,而是小角度的進動。

當腳踏車開始移動后,所產生的角動量守恒可以讓其產生長時間的穩定,即便沒有人駕駛,只要那種動能還在,腳踏車仍然能保持一段時間。

不過後來這種觀點被否定了, 因為在1970年有人制造出來一輛輪胎沒有陀螺效應的腳踏車,但該車在行駛中仍然能保持平衡。

所以說或許陀螺效應對腳踏車的平衡起到一定的影響,但并非是最核心因素 。後來還有人提出一種「腳輪效應」,就是說當腳踏車出現傾斜時,其前輪會傾斜一側產生偏轉角,后腳踏車就會因偏轉角造成的離心力給扶正。但後來這種說法也被推翻了。

大家想過沒有,明明是非常簡單的運行原理, 為什麼科學家至今為止都沒找到使其平衡的真正原因呢?那是因為腳踏車在設計之初本就不是遵循科學規律來的, 從腳踏車發展過程咱們也能看到,你添磚我加瓦,腳踏車就這樣造出來了。

其本質是方便出行,讓腳踏車使用能更長久,而不是根據理論設計讓其科學運行,能跑不就行了嗎!

結語

現在腳踏車仍然是我們生活中不可被分割的一部分, 大家在閑暇之余也可以嘗試著去研究一下,為何腳踏車能在騎行過程中保持平衡呢?

這困惑了物理界200多年的謎題,或許就掌握在你手中。研究出來了別忘了給法國相關機構報喜,到時候鐵定名利雙收!

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