回想起童年學(xué)習(xí)騎自行車的時光，無數(shù)次摔倒后，終于掌握這項技能的那一刻，興奮與激動溢于言表，總是迫不及待地想向朋友們炫耀自己的 “掏騎” 絕技。
在我們眼中，騎自行車似乎并非難事，可大家是否深入思考過，自行車究竟是如何保持穩(wěn)定的呢？
自行車的自我穩(wěn)定堪稱物理學(xué)上的一大奇跡。
一個僅靠兩個輪子支撐的裝置，不僅能穩(wěn)穩(wěn)站立，還能靈活調(diào)整穩(wěn)定性以實現(xiàn)平衡，甚至在無人駕駛的情況下也能維持不倒，這種神奇的表現(xiàn)，仿佛帶有魔法一般。
著名作家與未來學(xué)家亞瑟?C?克拉克先生曾說過：“任何足夠先進的技術(shù)都與魔法無異。” 這句話用來形容自行車的平衡原理，似乎再恰當(dāng)不過。
如今常見的自行車看似構(gòu)造簡單，實則經(jīng)歷了漫長的發(fā)展歷程。
19 世紀(jì) 60 年代的老式自行車，采用無橡膠輪胎，車身和輪胎皆由鐵制成。騎行這種自行車的體驗十分獨特，難以用言語形容，尤其不建議男同學(xué)嘗試，其中緣由，相信大家不難理解。
隨著時間推移，自行車制造技術(shù)不斷革新，如今已相當(dāng)先進。
關(guān)于自行車能夠保持直立的原因，科學(xué)界存在多種假設(shè)。
其中一種較為知名的是陀螺效應(yīng)。
陀螺儀由固定在軸上的金屬輪子以及固定二者的金屬框架組成，輪子可自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)輪子靜止時，想要讓陀螺儀直立是極為困難的。
然而，一旦使輪子高速旋轉(zhuǎn)，就會出現(xiàn)神奇的現(xiàn)象：它能夠自由地直立旋轉(zhuǎn)，并且對外界試圖改變其方向的作用力具有較強的抵抗能力。
比如，用一根線提起陀螺儀的一端，其另一端就如同被一只無形的手穩(wěn)穩(wěn)握住，依然能夠保持穩(wěn)定。快速旋轉(zhuǎn)的自行車輪子，與大多數(shù)繞軸旋轉(zhuǎn)的輪子一樣，具備陀螺儀的特性。
在旋轉(zhuǎn)的自行車車輪中，存在著角動量。
角動量是與自行車轉(zhuǎn)速以及質(zhì)量分布密切相關(guān)的內(nèi)在特征，其中包括車輪自身的質(zhì)量。仔細(xì)觀察不同設(shè)計的自行車，會發(fā)現(xiàn)輪轂周圍通常有集中的質(zhì)量分布，這樣的設(shè)計旨在增加特定速度下自行車的角動量。
陀螺儀因其出色的保持位置穩(wěn)定的能力，成為飛機和太空探索飛行器中不可或缺的導(dǎo)航工具。簡單來說，自行車輪子所呈現(xiàn)的陀螺效應(yīng)，能夠確保旋轉(zhuǎn)的輪子持續(xù)轉(zhuǎn)動，并維持其旋轉(zhuǎn)軸的位置，進而對自行車的穩(wěn)定起到一定作用。
不過，認(rèn)為陀螺效應(yīng)是自行車不倒的唯一原因，這一觀點存在漏洞。
陀螺效應(yīng)或許對摩托車騎手較為重要，因為摩托車車輪既重且轉(zhuǎn)速快。
但對于那些在夜晚悠閑騎行的老年人而言，他們騎車速度極慢，此時陀螺效應(yīng)幾乎可以忽略不計，而且自行車車輪相對較輕，難以提供足夠的輪軸穩(wěn)定性?；貞浺幌伦约簩W(xué)習(xí)騎自行車時滿身的淤青，就會明白，僅靠陀螺效應(yīng)，并不足以讓我們輕松地推著自行車跳躍前行。
除了陀螺效應(yīng)，腳輪效應(yīng)也是解釋自行車穩(wěn)定的一種假設(shè)。
以自行車前部位于圖像左側(cè)為例，當(dāng)存在正后傾角時，角度 θ 表示后傾角，它以度數(shù)為單位，體現(xiàn)了車輪垂直軸（用灰色垂直線表示）與轉(zhuǎn)向軸（用紅色虛線表示）之間的角位移。
若轉(zhuǎn)向軸（紅色虛線）從自行車（機器）后部向前傾斜，后傾角 θ 為正值；若轉(zhuǎn)向軸從自行車或機器前部向后傾斜，后傾角 θ 則為負(fù)值。
腳輪效應(yīng)在日常生活中十分常見，比如在超市拖動購物車時，我們會注意到購物車的輪子能夠自動對齊或重新定位方向，始終跟隨購物車的運動方向改變而調(diào)整，兩個輪子總是試圖保持在同一條直線上。
自行車同樣如此，即便方向發(fā)生變化，車輪也能始終在騎手下方保持對齊，這便是腳輪效應(yīng)對自行車穩(wěn)定的作用體現(xiàn)。
然而，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的自行車動力學(xué)專家阿倫德?施瓦布（Arend L. Schwab）指出，陀螺效應(yīng)和腳輪效應(yīng)并非自行車實現(xiàn)自我穩(wěn)定的必要條件。
2011 年，研究人員發(fā)表了一篇名為《自行車可以在沒有陀螺或腳輪效應(yīng)的情況下自我穩(wěn)定》的科學(xué)論文，通過設(shè)計一款無人駕駛的自行車，有力地證明了這兩種效應(yīng)并非自行車穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。
這款特殊設(shè)計的自行車，不僅缺乏常見的自我控制特性，而且在運動過程中能夠自動修正自身狀態(tài)。在深入研究中，他們發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分布、轉(zhuǎn)向傾斜軸等多種設(shè)計參數(shù)，以復(fù)雜的方式共同影響著自行車的穩(wěn)定性。
盡管目前關(guān)于自行車穩(wěn)定原理的研究仍在持續(xù)進行，但這些發(fā)現(xiàn)無疑為我們理解自行車的平衡之謎提供了全新的視角。
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