历经1935960小时,我们破解了自行车平衡的奥秘。这天,同事给小编发了段视频,说要考考小编。‘怎么把轮子拆开就不能平衡了呢?’自行车的问题,能难倒我·十二年骑车老司机·编?要知道这种自行车为啥不能平衡,那我们只要从普通自行车为啥能平衡来分析就可以。普通自行车能保持平衡,不就是因为。。。因为啥呢?如果说怎么控制自行车平衡,这个问题小编可太知道了,写篇论文都没问题。但为什么自行车能平衡?
难道小编这么多年骑了个假的自行车?带着问题,小编试图查资料找到答案。这一查还吓一跳,原来自行车平衡的问题已经困扰了科学界上百年之久,还真不简单。
自行车:我赌你不懂我的平衡。据说最早的自行车,是1790年,一个法国人觉得四轮马车太占地方,于是拍脑袋直接去掉一半,只留了两个轮,这就有了自行车的雏形。经过几百年的发展,自行车经过各种奇奇怪怪的设计,最终成为现在大家常见的形状。
就是这样一种大家都十分熟悉的交通工具,却让科学家们犯了难。如果问空调调控温度的原理,科学家们可以给你讲讲卡诺循环。如果问遥控器的原理,科学家们可以从红外线与编码序列来讲。但是自行车作为一种生活经验产物,发明的时候就没有考虑过为什么能平衡,当后人试图对其解析时,却发现了一个又一个的问题。为什么只有骑起来之后才能维持不倒呢,速度在其中起了什么样的作用?
将自行车用力推出去,自行车没有人控制也能保持平衡,这又是为什么呢?
在自行车发明的百年之后,英国数学家弗朗西斯·惠普尔推导出了惠普尔模型,这个模型用四个刚体来代表自行车,引入了质量、车轮半径等25种参数来描述自行车的运动状态,是世界上最早也最经久不衰的自行车模型之一。可惜的是这个模型只为我们提供了模拟的方法,而没有指出其背后的原理。
索末菲等:陀螺效应可解。时间来到20世纪,自行车平衡问题悬而未决,吸引了大量的科学家关注,其中就有我们物理界的老熟人阿诺德·索末菲。他和另外两位科学家:费利克斯·克莱因和弗里茨·诺特共同提出了一种解释——陀螺效应。什么是陀螺效应呢?陀螺效应其实是角动量定理的表现,在外力矩作用下,旋转物体角动量改变,产生进动角动量。也就是说,陀螺效应作用下,转动的物体不会直接倒下,而是发生转动方向的改变。
琼斯:还得看“转向轮后倾”。其实到目前为止,陀螺效应解释了开头的问题,已经很好地说服了小编。你以为这就结束了?NO!在索末菲等人提出陀螺效应解释60年后,一个叫作大卫·琼斯的化学家发表了篇文章,跳出来推翻了陀螺效应解释。当然琼斯也不是只管推翻不管重建的人,他提出了一个新的理论——转向轮后倾效应。
施瓦布等:你们说的都对,但...。
这么看来,通过“前轮轨迹”确实可以非常方便地判断和解释自行车的平衡问题。但是,科学界最不缺少的就是反转。在琼斯的回忆录出版的第二年(2011年),一篇发表在Science杂志上的文章横空出世,题为“A Bicycle Can Be Self-Stable Without Gyroscopic or Caster Effects”(自行车可以在没有陀螺效应和转向轮后倾效应作用下保持自稳定)。
后轮:还有人记得我吗?至此,自行车平衡问题算是得到了解决,但是没有完全解决。我们知道了自行车维持平衡的根本原因是将倾倒变成转向,也知道了三种可以实现这种转变的理论以及相应的自行车设计。但我们仍不知道会不会有更多的理论可以实现这种转变,也不知道会不会有一种理论可以达成自行车平衡的充分必要解。我们仍缺少一种关于自行车平衡的“大一统理论”。