荷蘭達(dá)爾福特大學(xué)的研究者們?cè)O(shè)計(jì)了一輛沒(méi)有陀螺效應(yīng)和前輪尾跡的自行車(chē)模型，這個(gè)自行車(chē)在無(wú)人操縱的條件下，照樣行駛得很穩(wěn)。

如今，大街小巷隨處可見(jiàn)的恐怕要數(shù)各種顏色的共享單車(chē)了，這些由簡(jiǎn)單支架、兩個(gè)輪子和兩個(gè)腳踏組成的最簡(jiǎn)單的交通工具，為人們的出行帶來(lái)了極大便利。邁腿、上車(chē)、蹬起、走你——隨著車(chē)輪飛轉(zhuǎn)，騎車(chē)人或輕輕調(diào)整車(chē)把，或身體左右輕晃，把個(gè)小小的自行車(chē)騎得行云流水一般。

自行車(chē)騎得雖爽，但是研究自行車(chē)的科學(xué)家們卻有些“不爽”。因?yàn)檫@么一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的交通工具，時(shí)至今日卻仍弄不明白它的穩(wěn)定性問(wèn)題，即為什么它在騎行過(guò)程中不會(huì)倒？不僅如此，當(dāng)人們?cè)谄降厣习岩惠v自行車(chē)推行到一定速度后撒手，自行車(chē)也會(huì)無(wú)控制地穩(wěn)定前行一段，即使中途擾動(dòng)一下，它也能夠恢復(fù)穩(wěn)定。

為解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)法國(guó)科學(xué)院甚至在1897年還專(zhuān)門(mén)設(shè)立了一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。200年來(lái)，許多物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家孜孜不倦地研究著自行車(chē)不倒的問(wèn)題，以期尋求一個(gè)合理的解釋?zhuān)麄儼l(fā)表了近百篇文獻(xiàn)，提出了各種可能。

可能性之一：陀螺效應(yīng)

自行車(chē)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的離心力會(huì)幫助保持自身平衡，就像抽動(dòng)旋轉(zhuǎn)的陀螺時(shí)，陀螺會(huì)圍繞著它的軸保持旋轉(zhuǎn)方向的慣性一樣。

在對(duì)自行車(chē)穩(wěn)定性的解釋中影響比較大的一種說(shuō)法是自行車(chē)前輪的陀螺效應(yīng)，以至于在許多通俗讀物中都以這種觀點(diǎn)來(lái)解釋自行車(chē)的穩(wěn)定性。

1911年，德國(guó)數(shù)學(xué)家克萊因和物理學(xué)家索莫菲爾德在陀螺力學(xué)著作中用陀螺效應(yīng)解釋自行車(chē)的穩(wěn)定性。陀螺效應(yīng)就是旋轉(zhuǎn)著的物體具有和陀螺一樣的性質(zhì)。“通俗地講就是轉(zhuǎn)動(dòng)物體具備維持原有轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的慣性，就如牛頓第一定律（慣性定律）描述直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的慣性一樣。”8月2日，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院余永亮教授告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的離心力會(huì)幫助保持自身平衡，就像抽動(dòng)旋轉(zhuǎn)的陀螺時(shí)，陀螺會(huì)圍繞著它的軸保持旋轉(zhuǎn)方向的慣性一樣。

北京大學(xué)力學(xué)系教授武際可在其博客《自行車(chē)的學(xué)問(wèn)》一文中寫(xiě)道：“對(duì)于陀螺效應(yīng)自行車(chē)穩(wěn)定性的解釋?zhuān)覀兒?jiǎn)要地來(lái)做說(shuō)明。你拿一枚硬幣，讓它在平面上滾動(dòng)，如果起始時(shí)刻讓它略微傾斜，比方說(shuō)傾向左側(cè)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它會(huì)向傾斜的這方拐彎，當(dāng)傾斜角變得愈大時(shí)，拐彎的曲率也愈大，最后到傾倒為止。”同樣可以類(lèi)比在行進(jìn)的自行車(chē)，“假設(shè)自行車(chē)欲向左側(cè)傾倒，即前輪向左傾斜，這時(shí)騎車(chē)人操縱車(chē)把使前輪向左轉(zhuǎn)，這相當(dāng)于給前輪一個(gè)向左旋轉(zhuǎn)的力矩，在這個(gè)力矩作用下，前輪會(huì)由傾斜向直立方向運(yùn)動(dòng)。同樣如果自行車(chē)欲向右傾倒，即前輪向右傾斜，這時(shí)騎車(chē)人通過(guò)把手使前輪向右轉(zhuǎn)，這相當(dāng)于給前輪一個(gè)向右旋轉(zhuǎn)的力矩，在這個(gè)力矩作用下，前輪會(huì)由傾斜向直立方向運(yùn)動(dòng)。由此，自行車(chē)自然會(huì)穩(wěn)定地向前行駛。”

可能性之二：離心力效應(yīng)

當(dāng)自行車(chē)往一側(cè)傾斜時(shí)，騎車(chē)人就會(huì)將前輪轉(zhuǎn)向同一側(cè)，由于前輪轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，自行車(chē)就會(huì)沿著傾斜側(cè)的圓周行進(jìn)，這時(shí)離心力向圓周外，就會(huì)將自行車(chē)扶正。

1948年，美國(guó)力學(xué)家鐵木辛科和楊在他們所著的《高等動(dòng)力學(xué)》一書(shū)中，對(duì)自行車(chē)穩(wěn)定性問(wèn)題作出了離心力效應(yīng)的解釋。他們認(rèn)為，當(dāng)自行車(chē)往一側(cè)傾斜時(shí)，騎車(chē)人就會(huì)將前輪轉(zhuǎn)向同一側(cè)，由于前輪轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，自行車(chē)就會(huì)沿著傾斜側(cè)的圓周行進(jìn)，這時(shí)離心力向圓周外，就會(huì)將自行車(chē)扶正。

對(duì)此，武際可指出：“由這個(gè)解釋?zhuān)梢缘贸鼋Y(jié)論，自行車(chē)的速度越快，所產(chǎn)生的離心力便越大。所以自行車(chē)行進(jìn)的速度越快自行車(chē)便越容易控制。”

余永亮也表示，普通自行車(chē)具有自穩(wěn)定的特性，通常講，穩(wěn)定性與速度快慢是有關(guān)系的。通常速度越大，慣性也越大，穩(wěn)定性也越好，所以在速度較高的時(shí)候，騎車(chē)熟練的人可以不用雙手控制車(chē)把。

可能性之三：腳輪效應(yīng)

腳輪效應(yīng)能使前輪的支承力產(chǎn)生對(duì)前叉轉(zhuǎn)軸的力矩，推動(dòng)前叉朝傾斜方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使離心力效應(yīng)的穩(wěn)定作用自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

1970年4月，英國(guó)化學(xué)家、科普作家大衛(wèi)·瓊斯在《今日物理》上發(fā)文質(zhì)疑陀螺效應(yīng)，他給自行車(chē)增加了一個(gè)與前輪并列反向旋轉(zhuǎn)的副車(chē)輪，以消除陀螺力矩。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，改裝車(chē)的行駛穩(wěn)定性與一般自行車(chē)無(wú)異，從而否定了陀螺效應(yīng)觀點(diǎn)。

上海交通大學(xué)劉延柱教授發(fā)表在《力學(xué)與實(shí)踐》上的《自穩(wěn)定的無(wú)人自行車(chē)》一文中寫(xiě)道：“瓊斯的實(shí)驗(yàn)還證明，前叉轉(zhuǎn)軸與地面的交點(diǎn)位于前輪觸地點(diǎn)的前方，是影響自行車(chē)穩(wěn)定性的重要因素，稱(chēng)為‘腳輪效應(yīng)’。腳輪效應(yīng)能使前輪的支承力產(chǎn)生對(duì)前叉轉(zhuǎn)軸的力矩，推動(dòng)前叉朝傾斜方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使離心力效應(yīng)的穩(wěn)定作用自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。”

瓊斯計(jì)算了前叉點(diǎn)與自行車(chē)的傾斜角和前輪偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系，他稱(chēng)之為“駕駛幾何”。武際可指出：“當(dāng)行駛的自行車(chē)有一個(gè)傾斜角時(shí)，自行車(chē)的前輪由于有‘前輪尾跡’的緣故，會(huì)自動(dòng)向傾斜的一側(cè)產(chǎn)生一個(gè)偏轉(zhuǎn)角，由于有這個(gè)偏轉(zhuǎn)角，自行車(chē)靠轉(zhuǎn)彎的離心力便會(huì)扶正。因此即使沒(méi)有人駕駛，在一定的速度之下，直行的自行車(chē)，運(yùn)動(dòng)也是穩(wěn)定的。”

可能性之四：多重效應(yīng)綜合作用

陀螺效應(yīng)、腳輪效應(yīng)和自行車(chē)前部重心位置這3點(diǎn)，雖然不會(huì)各自對(duì)平衡力起決定性作用，但可能三者有一股微妙的交互關(guān)聯(lián)，影響自行車(chē)的平衡力。

2011年，《科學(xué)》雜志刊登了一篇名為《一輛自行車(chē)可以不借助陀螺或腳輪效應(yīng)而保持平衡》的論文，文中荷蘭達(dá)爾福特大學(xué)的研究者們否定了維持自行車(chē)穩(wěn)定的陀螺效應(yīng)和腳輪效應(yīng)。

他們?cè)O(shè)計(jì)了一輛沒(méi)有陀螺或腳輪效應(yīng)的自行車(chē)。這輛車(chē)包含了車(chē)身、前叉和前后輪等自行車(chē)必備的元素，但其結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單。車(chē)身和前叉簡(jiǎn)化成各自帶有集中質(zhì)量的直桿，前叉轉(zhuǎn)軸接近垂直，前后車(chē)輪很小，且利用反向旋轉(zhuǎn)的副車(chē)輪徹底消除了陀螺效應(yīng)，同時(shí)，前輪的觸地點(diǎn)比駕駛軸略微提前了一點(diǎn)，使得輪腳作用幾乎為負(fù)。

在荷蘭達(dá)爾福特大學(xué)的停車(chē)場(chǎng)和籃球館，研究者們以每小時(shí)8千米的速度把這輛小車(chē)向外推了出去，它自己行駛了相當(dāng)長(zhǎng)的距離，如同任何一輛傳統(tǒng)自行車(chē)一樣，它能夠平衡自己。研究者甚至還在自行車(chē)自我行駛過(guò)程中略微推了它一下，很快這輛小車(chē)又自己調(diào)整到直線(xiàn)軌道。參與研究者瑞納說(shuō)：“沒(méi)人知道這是為什么。”該大學(xué)的另一名科學(xué)家阿諾德·舒瓦特說(shuō)：“這輛自行車(chē)證明，自我平衡還無(wú)法用任何簡(jiǎn)單的詞來(lái)解釋。”

除了否定陀螺和腳輪效應(yīng)的關(guān)鍵性之外，他們的實(shí)驗(yàn)還顯示，自行車(chē)重量分布可能對(duì)平衡起到很大的作用，特別是自行車(chē)前部重量中心的位置，可能極大影響了自行車(chē)穩(wěn)定性。

雖然科學(xué)家依然沒(méi)有得出自行車(chē)穩(wěn)定性的確切解釋?zhuān)侵辽偎麄兊玫搅艘恍﹩l(fā)——陀螺效應(yīng)、腳輪效應(yīng)和自行車(chē)前部重心位置這3點(diǎn)，雖然不會(huì)各自對(duì)平衡力起決定性作用，但可能三者有一股微妙的交互關(guān)聯(lián)，影響自行車(chē)的平衡力。

那么，兩個(gè)輪子一個(gè)架子，構(gòu)造這么簡(jiǎn)單的自行車(chē)為什么弄清其穩(wěn)定性的問(wèn)題這么難呢？一些研究人員認(rèn)為，要想理解自行車(chē)為什么不倒，不只是要考慮力學(xué)問(wèn)題，也許還要考慮腦科學(xué)。人類(lèi)能用很復(fù)雜但卻很直觀的方式使得自行車(chē)保持穩(wěn)定，例如在非常低的速度下，我們很容易就意識(shí)到，扭轉(zhuǎn)車(chē)把沒(méi)多大用處，相反我們會(huì)通過(guò)膝蓋運(yùn)動(dòng)來(lái)操控自行車(chē)。但是人們?yōu)槭裁磿?huì)這么做，沒(méi)人知道。也許自行車(chē)的謎團(tuán)將會(huì)繼續(xù)困擾我們。