問你個簡單的問題：行進中的自行車為啥不倒呢？

要問今年最火的是什麼，相信不少人都會回答是共享腳踏車。儘管「小黃」、「小藍」們擠佔了公共空間、影響了交通秩序，卻也著實方便了人們最後一公里的出行，以至於有人將共享腳踏車與網購、高鐵、支付寶一起稱為「新四大發明」。

圖1 - 共享腳踏車倡導綠色出行，給人們的生活帶來了便利（圖片來源：日報網）

腳踏車，是我們十分熟悉的代步工具。不過，一個「簡單」的問題是，行進中的腳踏車為啥能保持平衡而不傾倒呢？

技術上的革新往往需要理論上的突破作為支撐，可腳踏車卻是個例外，人們先發明了它，然後才研究它的運動原理。鏈條傳動的腳踏車誕生至今已有一百多年，科學家們對其行進中的穩定性問題也研究了一百多年。然而，看似簡單的問題卻包含極為複雜的力學原理，如今仍無人能清晰完整地解答腳踏車憑啥可以成為「不倒翁」。

圖2 - 20世紀初的腳踏車（圖片來源：Wikipedia）

雖然誰也說不清，但還是有一些頗有影響力的解釋，其中最流行的觀點是陀螺效應。

啥是陀螺效應呢？顧名思義，它和陀螺有關。玩過陀螺的小夥伴都知道，當陀螺高速旋轉后，其自轉軸的空間指向將一直保持不變，如果你試圖用手去改變自轉軸的指向，會發現非常困難，這就是陀螺的定軸性。此外，我們還會看到，在離心力與重力的作用下，陀螺並不會傾倒，而是自轉軸繞著某一旋轉軸轉動，這就是陀螺的進動性。由此看來，如果聯想到地球的自轉與公轉，我們會發現一個有趣的現象：我們本身就生活在一個巨大的「陀螺」上！（推薦視頻→：陀螺效應）

利用陀螺效應，人們發明了陀螺地平儀、陀螺半羅盤等儀錶設備，可以方便地測出輪船的航向與飛機的姿態角。早期的科學家在對腳踏車進行一番力學分析后認為，正是腳踏車前輪的陀螺效應使它維持了穩定，當腳踏車前輪有向左或向右傾倒的趨勢時，我們通過操縱把手給前輪施加一個力矩，前輪便因此由傾斜向直立方向運動。

圖3 - 腳踏車前輪的陀螺效應（圖片來源：Wikipedia，經作者漢化）

陀螺效應的解釋很符合我們的直觀感受，小夥伴們也可以在國內外諸多科普書籍中找到它的身影。可是，我們在路上常看到有些「牛人」騎車不握把手，這說明在不操縱前輪的情況下，腳踏車也能穩定行進，這又怎麼解釋呢？

圖4 - 大撒把雖酷，卻很危險（圖片來源見水印）

1970年，一位名叫大衛·瓊斯（David E.H. Jones）的英國科學家對陀螺效應的解釋產生了質疑。為此，他在腳踏車前輪邊上平行安裝了一個不和地面接觸、旋轉速度與前輪相同的車輪。當附加的車輪與前輪旋轉方向相同時，會使陀螺效應加倍，而當旋轉方向相反時，整體的陀螺效應則會抵消為零。有意思的是，試驗結果表明，無論陀螺效應加倍還是消失，都不影響腳踏車的穩定性。

圖5 - 瓊斯與他設計的可消除陀螺效應的腳踏車（圖片來源：參考文獻[2]）

既然不是陀螺效應，那是何原因呢？瓊斯提出了一個「前輪尾跡」的概念，他認為由於「前輪尾跡」的存在，一旦腳踏車發生傾斜，便會自動產生一個將腳踏車扶正的偏轉角。

圖6 - 前輪尾跡的概念示意（圖片來源：參考文獻[1]）

瓊斯的研究可謂一石激起千層浪，數十年來，科學家們前仆後繼地投入到腳踏車穩定性的研究中。尤其自2006年瓊斯的論文被重新刊登以來，腳踏車的穩定原理再次成為科學家們研究的熱門，如今瓊斯的論文已經被引用近200次（據谷歌學術數據）。

不過，人們的討論越多，瓊斯的「前輪尾跡」理論也就越被質疑。

2011年，一貫刊登生物、醫藥、化學等領域前沿研究的《科學》雜誌，卻發表了一篇有關腳踏車的研究論文。和《科學》雜誌高大上的形象相比，這篇頗顯「寒酸」的論文題目為「沒有陀螺效應和前輪尾跡的腳踏車也能自穩定」。看到這個題目，小夥伴們一定猜到了這篇論文做了哪些事兒。陀螺效應的解釋早已被瓊斯否定了，而為了否定瓊斯，研究者們製作了一種既沒有陀螺效應也沒有前輪尾跡的腳踏車模型，試驗結果表明，這樣的「兩無」腳踏車仍然能夠穩定行駛。令人遺憾的是，對於腳踏車為啥能穩定，論文的作者們卻表示：不知道。繞了一圈，人們對腳踏車穩定性的認識又回到了原點。

圖7 - 研究者們設計的既無陀螺效應也無前輪尾跡的腳踏車模型（圖片來源：參考文獻[3]）

和汽車、火車、飛機相比，腳踏車無疑是結構最簡單的代步工具之一，然而簡單的結構卻掩蓋了它複雜的動力學特性，科學家們用了一個多世紀依舊無法解答它的穩定性問題。人類對真理的探索仍然任重道遠！