骑自行车为什么要走动才能平衡（骑自行车怎么保持平衡的）

自行车是人类历史上一个特别奇怪的发明，为什么说它奇怪？

因为人类至今都没有搞懂，只有两个轮子的自行车，是如何在行驶过程中保持平衡的。

有人会说，自行车行驶的时候，不是人保持的平衡吗？一个人如果不会骑自行车，那么他就会摔倒。

骑自行车的矢量动画

然而通过对自行车的研究，科学家们发现，骑车者只能决定车在静止时候的平衡，自行车在行驶的情况下，平衡并不是骑车者在保持。

《科学》杂志更是在2011年发表文章表示，目前并没有一个合理的物理知识能够解答自行车的平衡之谜，因此只存在一些假说。

既然不知道自行车的平衡原理，那么自行车是如何被造出来的？

自行车的设计和建造，主要是当初工程师们依靠经验总结，并没有系统的自行车动力学诞生。

骑自行车的人

自行车的诞生

自行车并不是物理学家们捣鼓出来的。

1780年法国人希夫拉克制造了世界上第一辆自行车。

当时的自行车和今天完全不同，没有链条，只能用脚蹬，并且还不能转弯。

今天自行车的雏形则是在1874年在英国出现的，因为自行车第一次有了链条。

只不过这个时候的自行车依然长得和今天不一样，它的后轮大，前轮非常小，看起来像奇特的“独轮车”。

人类最早的自行车

1888年，现代自行车才诞生，这一次它的前后轮差不多大。

而且还有车架，看起来比当初那个“独轮车”美观。

这种新式的交通工具也很快引起了当时物理学家们的注意。

1875年法国科学院就设立了专门的奖项用于鼓励人们发现自行车中的物理知识，从而让自行车更快地发展。

经过演变的自行车

200多年的时间过去了这个奖依然没人拿，原因很简单，没有物理学家能够参透自行车行驶过程中的物理原理。

起初物理学家们也认为，自行车的平衡与骑自行车的人有关。

但是他们做了一个无人自行车实验，自行车在行驶过程中即便没有人骑在上面它也能正常行驶。

200多年的时间里物理学家们一直试图解决这个疑问，于是提出了多种假说。

自行车行驶时人不骑它也能保持平衡

自行车行驶之谜

第一个被大家普遍认同的假说是陀螺仪原理。

物理学家们认为，自行车的平衡是由于前轮高速旋转产生了离心力。

可以把自行车的前轮想象成一个高速旋转的陀螺，只要保持一定的速度那么就能保持平衡。

然而在1970年，这个假说受到了冲击。

陀螺仪原理示意图

英国的一位物理学家大卫·琼斯（ David E.H. Jones）设计了一款自行车。

它的前轮有两个，两个前轮的旋转方向相反，目的就是为了抵消掉陀螺仪的影响。

结果他发现，自行车的平衡并没有被打破，但是行驶起来的确有点影响。

这表明，陀螺仪是影响自行车平衡的条件之一，但不是关键的条件。

陀螺仪不是影响自行车平衡的关键条件

而大卫也因为这个实验提出了一种新假说——脚轮效应。

他认为当自行车发生倾斜时，前轮产生的离心力会将车身摆正。

这是因为他在骑车的过程中发现，如果人的身体跟随自行车的摆动幅度而动，那么人和车会一起被扶正。

可是如果人反其道而行，与离心力的扶正方向恰好相反，就会摔得人仰马翻。

基于脚轮原理的多节自行车机器人

大卫的这个理论和1948年提出的离心力效应有点相似，提出者S.P.铁木辛柯和D.H.杨同样认为自行车的平衡是离心力摆正的。

随着电脑技术的发展，人们可以利用它设计很多模型，通过建立自行车的行驶模型，来判断它的受力方向。

在这个过程中，物理学家们发现了一个现象。

那就是陀螺仪、离心力、脚轮效应在自行车行驶的过程中都有起到平衡的作用，可它们不是唯一。

路边停放着的自行车

自行车的平衡恰好就是这三个效应之间的平衡。

总的来说就是当自行车具有速度之后，两边倾斜的动能会小于自身速度产生的动能。

这个时候只要人别捣乱在上面乱动，它就能一直保持平衡，人们所说的不会骑自行车其实就是在破坏自行车的平衡。

公路上的自行车骑手

当自行车的速度减小到无法抗衡倾斜动能的时候，自行车的平衡系统也会被打破，所以需要加速，也就是使劲蹬踏板。

这个综合学说目前也不是自行车保持平衡的权威答案，它依旧是一种假说。

关于自行车的研究，依旧还在继续。

其实，我们的生活中不单是自行车的原理没有搞明白，还有飞机如何起飞的人类也不知道。

科学界的未解之谜

物理学家至今无法科学解释飞机的起飞原理，因为发明飞机的莱特兄弟在设计飞机的时候，不是从物理原理入手的。

莱特兄弟两人是机械工程师，他们并不是第一个想要发明飞机的人，在他们之前人类就想要持续飞行了。

莱特兄弟发明了飞机

飞机诞生之前，人类的飞行采用的是飞艇，莱特兄弟吸收了前人的经验经过不断改良才设计出了飞机。

第一次飞行的距离还没有今天波音747的翼展大。

所以，莱特兄弟也说不明白自己的飞机真正飞上去的原理是什么。

物理学家们对飞机的起飞展开了研究，发现这个过程中涉及到流体力学。

但是，飞机是如何产生流体力学的，物理学家们至今说不清楚。

尤其是飞机的进阶升力，机翼周围产生的漩涡，这个是未解之谜。

飞机起飞的过程示意图

这就不得不提到技术和科学的区别，大家在生活中总是会把这两个概念搞混。

科学是将一种自然现象通过系统性的解释表现，比如大家熟知的万有引力，牛顿通过公式将万有引力具象化。

技术依靠科学却又不完全依靠科学，它还可以依靠经验，前面提到的自行车和飞机，它们的发明算是一种技术，没有科学理论。

换算成今天的大学教育的话这就是工科和理科的区别。

牛顿提出了万有引力公式

所以有的时候一些技术会和科学会产生一定的分裂感，比如埃及金字塔一直被认为是外星人的杰作。

这是因为使用现代的建筑学理论无法解释金字塔的建造原理。

即便是如此发达的今天人类也没有实地复制出一座金字塔。

金字塔是古埃及的建筑师在各种经验的基础上建造出来的，他没有留下所谓的建筑图纸及其建筑原理。

金字塔建造过程想象图

这些未解之谜也侧面反映出，人类的科学发展并没有我们想象中的那么全面，很多东西的诞生还是依靠了前人的智慧。

人类的技艺工程历史很悠久，比如四大发明，但是真正的科学史才不过300年。

中国古代四大发明

就拿物理学来说，古希腊时期的确诞生了物理。

但是这个物理属于经验物理，通过总结身边所发生的现象，得到一定的结论，不过这个结论很有可能是错的。

经验物理统治了2000多年的时间，某种程度上它还禁锢了一段时期的物理发展。

直到伽利略和牛顿开辟出了经典物理学，也就是宏观物理。

伽利略和牛顿

由此可见发明出一件东西的难度，没有创立一套理论难，这也是科学发展很缓慢，但是技术发展却很快的原因。

经验传承比学术传承更加容易，也更容易学会，但是一个科学理论可以诞生出上百种技术。

人们通过将科学和技术结合，诞生了科技这个概念，如果二者能够相辅相成，那么人类的未来会更加美好。

科技造福人类

或许有一天，我们会在教科书上看见自行车是如何保持平衡的，后来接上一大段物理学公式。

,