不过这也可以理解，毕竟每个人选择的天赋点不同。 但我也很好奇，除了人体自身的平衡感之外，还有什么可以让自行车这样的两轮东西保持平衡呢？
于是我查了资料，原来一百多年来，自行车为什么不会翻倒的问题引起了无数物理学家和数学家的疑惑。
为此，他们用英语、德语、法语、俄语、意大利语等多种语言发表了数百篇论文。 法国科学院还为此设立了物理竞赛。 而时至今日，这个问题还不能说已经彻底解决。
以至于网上很多文章甚至把“自行车为什么不会翻倒”写成“世纪未解之谜”。
为什么这样一个看似简单的问题却困扰了无数科学家一个多世纪呢？ 今天我想和大家讲一个发生在自行车上的科学原理。
一、自行车平衡之谜的研究历史
其实自行车早在18世纪就被法国人发明了，而这个可以称为世界上第一辆自行车的东西与“自行车”无关。
它没有驱动装置，没有踏板，甚至没有方向盘！ 它看起来像一个有两个轮子的长凳。 必须由人来推动才能前进。 大概就是这个动作。
什么？ 你想转吗？ 好的，请先下车，把车运走。
因为这个东西太原始了，严谨的德国人受不了，于是就加了一个方向可控的转向系统，俗称车把。 虽然还是要人在地上推来驱动，但至少不用背着走。
在接下来的几十年里，欧洲许多国家的人们不断改进和发展自行车的设计。 在此期间，它一度变成了非常反人类的形状。 比如下面这个版本的自行车，如果你没有腰，合力的话，你真的想都骑不走。
1874年，它终于被英国人劳森改造成了普通人可以乘坐的形式。
劳森发明了一种精密的机械结构，可以让前轮通过铁链在后轮的传动下移动。 这就是我们现在所熟悉的铰链。 比马背还高的座椅终于有机会从直径一米多的前轮移动到更低更远的位置。
看到这里，我想车友们或多或少已经意识到，自行车从一开始就不是根据严格的物理和数学理论公式设计的。
它的诞生完全是人类生活经验的产物。
但它的存在是合理的。 自行车不仅已经存在了近两个世纪，而且还在不断“进化”，甚至可以在不借助人力的情况下自行保持平衡。 如此神奇的现象，一定是有科学依据可以解释的吧？
于是乎，科学家开始回溯推导它的设计原理，结果发现，嗯？ 这东西太玄学了，根本无法用现有的科学理论来解释！
1869年，英国著名机械师、工程师约翰·兰金发表了一篇题为《论自行车运动的动态原理》（On the of-pedes）的文章，这也是最早讨论自行车平衡的论文。
1899年，英国数学家惠普尔建立了由车体质量、车轮半径、转向角等25个复杂参数组成的模型，研究不同参数对平衡的影响。
1910年，根据惠普尔的数据，德国物理学家索默·墨菲和数学家克莱因提出了“陀螺效应”。 这一理论也被公认为自行车平衡的秘密。 （PS：下面讨论的稳定性都是“自稳定”，指的是自行车在无人操作下的稳定性）
2. 陀螺效应与角动量守恒
那么陀螺效应是什么呢？
陀螺效应有两个特点，一是轴固定，二是进动。
例如，您小时候可能玩过陀螺。 玩过的同学可能会发现陀螺非常稳定。 即使遇到外界干扰，它的平衡也很难被破坏。
这是因为高速旋转的物体会产生一个叫做“角动量”的物理概念。 学过初中物理的人都知道，力乘以力臂就叫“力矩”，所以动量乘以动量臂就叫动量矩，也就是角动量。
或者你也可以简单的理解为一种旋转的状态。
我们还以陀螺为例。 当陀螺静止时，它不能直立并保持平衡，但当它高速旋转时，它会产生一个方向的角动量。 我们可以利用右手定则来确定角动量的方向。
此时陀螺仪的角动量方向垂直向上。 角动量的方向一旦形成，就极难改变，因此陀螺保持平衡。
这就是陀螺效应的固定轴。
但你会发现陀螺仪除了“自转”之外，还会绕垂直轴“公转”。 这种状态称为陀螺进动。
科普团队“真理元素”曾做过一项实验，将重达数十公斤的铁饼一端固定。 当高速旋转时，这个装置可以完全战胜重力，给人一种不合理的感觉，就好像有人在拉着另一端一样。 仿佛悬在半空中。
如果换上更轻的自行车轮，那就更困难了。
这时，如果对这个高速旋转的物体施加外力，就会出现两种情况：
让我们回到自行车上吧。
因为轮子旋转的方向是恒定的，所以其角动量的方向将始终指向侧面。 当轮胎旋转得足够快时，无论车上是否有人控制，它们都会保持几乎恒定的方向。 ，即使倾斜，车体也不会随便改变方向陀螺与角动量守恒，而是会平移。
这就是为什么，自行车越快，快速转弯就越困难，因为你必须施加足够的力来抵抗车轮的角动量。
我们生活中有很多现象都具有“陀螺效应”，比如水的漂浮。 如果总是失败，很可能是因为石头的旋转速度不足以形成让它保持方向的角动量。
还有飞盘。 从飞盘被抛出到落回你手中，整个过程始终遵循角动量方向不变的规律。
说到这里，想必大家都明白得差不多了。 不知道“陀螺效应”的理论能否说服你。 说实话，无论如何我还是被说服了。 这一理论长期主导着自行车研究界。
3. 琼斯和他的前轮尾流
直到1970年，一位名叫琼斯的英国化学家突然跳出来说，自行车之所以能保持平衡，并不是因为“陀螺效应”！ 但还有另一个原因。
这个男人确实不是在胡闹。 他真的发明了一种可以抵消陀螺效应的自行车。
这辆自行车的特别之处在于它有一大一小两个前轮！ 大前轮会在小前轮的传动下向相反方向转动，这意味着两个轮子的角动量完全相反，相互抵消，所以这辆车成功消除了陀螺效应！
神奇的是，它也像普通自行车一样保持平衡。
就这样，一个被接受了近一百年的理论被推翻了。
那么如果自行车能够保持平衡不是因为陀螺效应，那又是为什么呢？ 琼斯研究员也给出了自己的理论解释。
他说，自行车之所以能保持平衡，是因为自行车前轮的设计中有一种叫做前轮拖迹的东西。 简单来说，就是自行车前叉的延长线与前轮中心垂线之间的距离。
了解汽车的朋友可能听说过一个词，叫主销脚轮。 原则上，它与前轮拖距是一样的。
为什么说这个东西是自行车保持平衡的关键呢？
你有没有注意到，当自行车在行驶过程中翻倒时，自行车的前部会同方向旋转，然后重心就会回到自行车前轮的底部。 发生这种情况是因为前轮的中心大于自行车的中心。 车把向前移动得越远，重心就会朝一个方向移动转向轴。
琼斯还研究了负前轮尾迹的情况，即自行车的前叉向前倾斜。 在这种情况下，当自行车向一侧倾斜时，车轮会向相反方向偏转，使其很难保持稳定。 因此琼斯认为，前轮拖距越长，自行车的平衡性就越好。
同样，还有购物车和办公椅的脚轮。 不管你怎么拉它们，这些轮子的前轮曳距永远是一个正值，这样的设计是为了让它们的方向更加稳定。
嗯，这听起来很合理。 差评人又信了。
4.《科学》杂志打破前轮尾流
2011年，五位学者在《科学》杂志上发表了一篇文章。 他们证明自行车仍然可以非常稳定地行驶，而无需陀螺效应或前轮拖曳。 如何实现呢，那就是造汽车。
他们制作了一辆更奇怪的自行车，先在前后轮上加了反向旋转的辅助轮，然后把轮子的中心放在前叉前面。 所以这辆车既没有陀螺效应，也没有负前轮曳距。 当然，仍然可以保持平衡，稳步前进。
那么这辆自行车如何保持平衡呢？ 它利用车身结构来控制自行车的质量分布。 所以这五位学者得出的结论是不需要陀螺效应和前轮尾流。 只要在一定的质量分布条件下，就可以完全平衡。
但本文并没有完全否定之前的研究。 相反，他们认为陀螺效应和前轮尾流理论非常重要陀螺与角动量守恒，因为他们发现自行车平衡的秘密早已被我们掌握。
你还记得英国数学家惠普尔在1899年建立的模型吗？ 该模型由二十五个复杂参数组成，涉及两个二阶微分方程，这些方程的解表明，经过一个小扰动后，自行车的翻倒倾向会随着时间的推移而衰减，直到它直立向前行驶。
用人的话说，如果自行车要翻倒，它一定会转弯，而这个转弯会让自行车重新站起来。
所以他的研究解释了为什么自行车不会摔倒。 “陀螺效应”和“前轮尾流”理论实际上解决了自行车为什么会翻倒后转弯的问题。
除此之外，还有无数其他参数可能会影响稳定性。
例如，旋转动量、车把倾斜、质心位置、前后部件的惯性等。用五位作者的话说：自稳定的一个简单的必要条件是，必须有至少一个因素引起倾斜转动。
换句话说，“陀螺效应”和“前轮尾流”并没有什么问题。 它们既是自行车稳定性的充分条件，也是非必要条件。 这五位学者的研究增加了新的充分条件和非必要条件，即体重分布。
所以！ 骑自行车保持平衡并不是所谓的“未解之谜”。 只是在科学家的研究下，这个问题经历了三次迭代，每一次都比上一次更完整、更深刻。
现在有自动程序可以模拟自行车的平衡。 您可以通过调整不同的参数来研究对自行车平衡的影响。 ()
未来，也许科学家会发现自行车保持平衡的新条件。
终于
看到这里，有的同学可能要问，为什么科学家要和自行车费劲呢？
其实我第一次看到这个问题的时候，也有同样的想法。 每个人都已经可以轻松地骑自行车了。 如果你还在研究自行车为什么不会翻倒，那没有什么实用价值。
但仔细想想，人类在科学上已经达到了前所未有的高度，从宇宙到深海。 但当他们低下头的时候，却连脚下的自行车都看不懂了。 这是为那些“一无所知、深感羞愧”的人准备的。 对于科学家来说，这简直比强迫症发作还要糟糕。
如果大家只停留在“这个已经可以用了，何苦再去研究”的层面，人类科学就不会进步。 无数的科技成果也来自看似无用的科学研究。
当法拉第用圆盘发电机演示电磁感应原理时，有观众问他：“这个东西有什么用？” 法拉第回答说：“刚出生的婴儿有什么用呢？”
今天我们回想起来，可能会嘲笑那个观众的无知，因为我们知道电磁感应非常有用，是交流电的基础。 但当时没有人知道这一点，甚至法拉第也不知道。
牛顿研究引力不是为了建造飞机和宇宙飞船，而是为了探索自然规律。 正是有了这个科学基础，无数子孙后代才能将科学理论转化为现实应用。
科学是抽象的，它从不负责有用，只负责寻求真理。 探索、寻找这个世界的真相，是科学家毕生努力的意义。
