[物理解密]世纪未解之谜:自行车如何保持平衡?

转载自微信公众号:第321章如果你想问,人类迄今为止有哪些“成熟”的发明。

当我评论你的时候,我首先想到的是自行车!”你已经是一辆成熟的自行车了,当然你可以自己骑!”只要速度足够快,自行车甚至可以在布满石头的崎岖山路上自由移动(是的,在没有人的情况下)。

自行车可以说是人类发明的最高效、最全能的人力驱动车辆,也是我们生活中最常见的车辆之一。

在荷兰,人均自行车数量一度飙升至惊人的109辆/100人。

用菜篮子购物,在户外爬山,你可以把你的孩子交给你妈妈自己使用。一个人有几辆车,而且车比其他人多。

然而,穷朋友可能不认为“自行车如何保持平衡”的问题仍然是困扰科学界一个多世纪的“未解之谜”。你知道,自行车是法国人在18世纪末发明的。

这可以被称为世界上第一辆自行车,但它与“自决”无关。

它没有驱动装置,也没有踏板。它看起来像一个有两个轮子的长凳。它必须在地面上“行走”才能向前行驶,并想转弯?好的,我们先下来,抓住车身,改变方向。

这种设计认为安全系数有点低。幸运的是,这种让整个屏幕展现原始味道的设计在几年内得到了改进。

1817年,德国林务员德·莱斯发明了一种可以控制汽车方向的车把。

虽然人们还得蹬着车去开车,但不知何故,不必背着车去转弯。

1817年,自行车的复制品被制作出来。至于它看起来像什么——因为它是由双踏板驱动的,人们在上面行走,它应该是这样的。在接下来的几十年里,自行车的设计经历了不断的改进和进化,代代相传,由许多欧洲国家的人。例如,在此期间,以下版本的自行车曾经变成非常反人类的形状。坐在上面比骑马更难。

骑自行车的困难曾经和耍弄齐飞一样。1874年,一位英国人劳森最终将自行车改造成人人都能使用的普通形状。

劳森发明了一种精确的机械结构,这就是我们现在所说的铰链。通过铰链,前轮可以在后轮的传动下移动,高于马背部的座椅最终有机会从直径超过一米的前轮移动到更低更靠后的位置。

看到这里,据估计穷朋友或多或少已经意识到自行车不是从一开始就基于严格的物理和数学理论公式设计的。

它的诞生完全取决于人类的生活经历!然而,存在是合理的。自行车不仅存在了近两个世纪,而且还在不断“进化”。到目前为止,他们已经能够在没有人力资源的帮助下保持平衡。解释这样一个神奇的现象应该有科学依据吗?结果,科学家开始颠倒其设计原则,发现,呃?这东西形而上学,居然不能用现有的科学理论来解释!自19世纪末以来,科学界发表了各种论文来解释自行车的稳定性。

最主流的观点之一是自行车的平衡原理是“陀螺效应”。

朋友们年轻的时候就应该玩陀螺仪,对吗?在高速旋转的情况下,无论遇到什么样的外力干扰,其平衡都很难被破坏。

这是因为物体在快速旋转的情况下会产生一个物理概念,称为“角动量”。

让我们以陀螺为例。

当陀螺不旋转时,它会由于重力而下落,但一旦它开始高速旋转,就会产生具有独特方向的角动量。

在下图中,红色箭头指示的方向是陀螺仪旋转时的角动量方向。

用右手定则来确定角动量方向,一旦角动量方向形成就很难改变,也就是说,如果它的方向是向上的,就很难改变到右上或左上。

角动量不是一种力,但它可以表达物体旋转时的状态。

角动量的作用有多强大,请看下面的GIF。

当上图左下角的陀螺仪不旋转时,它一松开就会下降。当它高速旋转时,产生的角动量甚至能使它克服重力的影响,继续挂在绳子上旋转。

即使是较大的轮胎。

此时,如果外力施加到这个高速旋转的物体上,只有两种情况。首先,物体会平移以保持角动量的方向;第二,物体将被迫终止正在进行的运动,直接“飞出”。

可怜的朋友们知道这里几乎是一样的。

生活中有许多遵循“陀螺效应”的现象,比如撇水。许多人撇水失败的主要原因是石头的旋转速度不足以形成角动量来保持它的方向。

以及玩儿飞盘,飞盘从被扔出去到落回到你的手里,过程中一直遵循角动量方向不变的规律。和玩飞盘一样,飞盘总是遵循角动量方向不变的规律,从被抛出到落回到你手中。

自行车当然是一样的。只要轮胎的转速足够高,不管车辆是否受到控制,轮胎都会保持几乎恒定的方向运动(这就是为什么自行车突然转弯越快,越容易翻倒)。这个理论是否足以让你相信自行车的平衡原理是由“陀螺效应”引起的?说实话,坏法官几乎完全被说服了。这一理论也长期主导自行车研究。但是在1970年,一个叫琼斯的人突然跳出来说,“这不是因为‘陀螺效应’!琼斯不仅说了,还设计了一种没有陀螺效应的自行车。他做了实验,并在一本名为《今日物理》的杂志上发表了这些实验。这种特殊自行车的特殊之处在于它有一个大前轮和一个小前轮。大前轮在小前轮的传动下会在不同的旋转方向上旋转,也就是说,两个车轮的角动量完全相反,相互抵消,所以汽车在理论上成功消除了“陀螺效应”!令人惊讶的是,这辆车还设法保持了平衡。

可怜的法官觉得这三种观点受到了影响。

如果不是因为“陀螺效应”,那么自行车保持平衡的原因是什么?琼斯提出了一个新理论——“前轮尾流”理论。

这听起来相当先进,仅仅是因为车轮的轴心比汽车的方向更靠前。当汽车被倾倒时,汽车的前部将向同一个方向倾斜。

这意味着当自行车行驶时,倾斜的自行车靠在倾斜的头部上,并将其重心改变回自行车重心的下部,以保持平衡。

可怜的朋友们小心地回忆说,当骑自行车的时候,如果车要向左倾斜,他们会本能地把车的前部转向左边来保持平衡吗?这一套理论似乎也很合理,而且坏法官似乎又几乎相信了。

但在2011年,另一个人跳了出来,制造了挑战极限的终极版自行车——它不仅挑战了“陀螺效应”,还推翻了“前轮拖车”理论。

这辆自行车有两个特点:它有四个轮子;同时,前轮的轴心在车把后面!前轮和后轮分别由两个车轮组成,两个车轮的旋转方向相反,也就是说,前轮和后轮的角动量是偏移的。

红色箭头表示角动量的方向,车把在前轮后面,这意味着“前轮拖车”改变了车身的重心,保持自行车平衡的理论不再成立。

问题是,没有人的控制,这辆车真的能保持平衡吗?答案是:当然。

据说所有看到它的科学家都哭了。

此后,直到今天,还没有人找到自行车平衡原理的完美解释。

也许看到这里,可怜的朋友们想问,为什么科学家要和自行车相处呢?因为这正是他们毕生努力的目的:探索世界的真相,发现世界如何运转的真相。

在这方面,数百年来我们一直很成功。科学家可以从宇宙到微观粒子找到合理的解释。

但是低头盯着从家通勤到实验室的自行车,我发现我甚至不明白这么简单的事情。对他们来说,这就像强迫症在一张白纸上发现不均匀的折痕。很痛苦。

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