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一個常見物理現象,卻困擾科學界200年,現在還是未解之謎

回望曆史我們能夠發現一個非常有趣的事實:5萬年前和10萬年前相比,人類的生活方式幾乎沒有變化;1000年前和3000年前相比也是沒有什麼變化;400年前和700年前相比還是沒有多大的變化。

可如果将現在和200年前進行對比就會發現,這兩百年之間的變化已經完全不能用“大”來形容,甚至用“天翻地覆”這個略帶誇張的形容詞,都很難去描述兩個時間段之間的差距。

關鍵問題來了:是什麼讓人類的生活方式在數百年的時間裡發生了天翻地覆的變化呢?聰明的人應該瞬間就想到了問題的答案——科技。

正如一位偉人所說:“科技是第一生産力”。事實證明人類每一次的進步,其實都是科技在背後推動。而從本質上看,科技和科學是相輔相成的,若沒有科學的理論指導,科技也不可能發展得如此迅速。

如果将“發展”比喻成一輛高速行駛的汽車,那麼科技就是這輛汽車的燃料,而科學則是這輛車的方向盤和發動機。

雖然說科學帶領人類認識了自身、了解的世界,對人類的發展起到了至關重要的作用,但科學其實也不是全知和萬能的,日常生活中有許多事情科學根本無法解釋,比如一個非常常見物理現象——自行車騎起來為何不倒。

可能乍看到這個問題會讓許多人錯愕,因為自行車明明已經發明出來200多年了,并且它還是我們最常用的交通工具之一,怎麼可能至今還不知道它的原理呢?

然而,錯愕和驚訝并不能掩蓋人類對其中原理的束手無策,這個問題确實已經困擾了科學界200多年。《科學》雜志上有許多關于這個問題的分析論文,但它們無一例外地無法給出最終的定論。有科學家曾戲言,這個問題可能永遠是個未解之謎。

當然了, 雖然科學家們無法給出這個問題的準确答案,但經過近百年的研究,還是将騎起來不倒的原因縮小到了幾個方面。

第一種是“離心力效應”。1948年,力學專家D.H.楊和S.P.鐵木辛柯對自行車平衡問題進行了研究,并将研究過程編撰到了《高等動力學》這本書中。

在結合了大量的計算和實踐之後他們認為,當正在前進的自行車傾斜時,騎車人會将前輪朝着傾斜的方向微微偏轉。

這時,雖然前輪的方向發生了改變,但還存在讓它向前的動能,所以自行車依舊會向前運動,并且還會沿着傾斜的圓周進行運動,而此時輪子産生的離心力會将自身扶正,從而使得自行車能夠在騎起來時保持着平衡。

第二種是“陀螺效應”。由于陀螺效應非常好理解,所以在大多數的科普中,都喜歡把它作為自行車不倒的解釋,但其實它也隻是可能的解釋之一。

簡單來說,當自行車運動的時候,兩個輪子會在轉動下分别産生保持自身穩定的離心力,這種力使得自行車騎行時保持穩定。其原理和陀螺轉動不會倒的原理基本一緻。

第三種是“腳輪效應”。1970年,一位名為大衛·駿斯( David E.H. Jones)的英國人稱,自己發明了一輛能夠正常騎行的“非常規”自行車,這輛自行車并沒有用陀螺效應來保持自身平衡。

大衛·駿斯的方法腦洞非常大,他在自行車前車輪上焊接了一個相同尺寸的車輪。在運動的過程中,後加上的車輪和原本車輪旋轉速度相同但方向相反,從而實現抵消“陀螺效應”帶來的平衡性,

他的這個設計幾乎推翻了科學界之前的研究,因為這個模樣奇怪的自行車證明了,陀螺效應并不是自行車保持平衡的主要原因。

基于這個設計,有科學家提出了一個新的想法:當自行車運動過程中前輪産生斜角時,由于前輪控制着後輪的方向,所以後輪也會産生和前輪類似的斜角,這時離心力就會将車子扶正,或者說繼續當前運動方向一段時間。

而這也就導緻了,就算沒有人騎車,隻要給自行車一個推力,自行車仍然能夠保持平衡一段時間。

所以綜合三種可能性之後,最後一種可能性出現了:自行車之所以運動不倒,可能是三種可能相結合的原因,單個力應該根本沒有辦法維持它的平衡。

簡單來說,當某個物體具有速度之後,會出現保持運動狀态和速度不變的趨勢。當自行車擁有足夠快的運動速度時,自身産生的動能會大于向兩側傾斜的動能,所以隻要稍微給自行車一點外力,它就能夠一直前進不會倒。

當停止施加外力時,自行車傾倒的力就會大于自身動能,所以當它完全停下來的時候我們需要用腿支撐,讓自行車保持平衡狀态,這樣它才不會直接倒在地上。

總的來說,上面四種解釋隻是這個問題最有可能答案,而不是所謂的标準答案。畢竟如果這個問題真的那麼好解答,也就不會困擾科學界200多年了。

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