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么，相信不少人都會回答是共享單車。盡管“小黃”、“小藍”們擠占了公共空間、影響了交通秩序，卻也著實方便了人們最后一公里的出行，以至于有人將共享單車與網購、高鐵、支付寶一起稱為“新四大發明”。

^{圖1 - 共享單車倡導綠色出行，給人們的生活帶來了便利（圖片來源：中國日報網）}

自行車，是我們十分熟悉的代步工具。不過，一個“簡單”的問題是，行進中的自行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，可自行車卻是個例外，人們先發明了它，然后才研究它的運動原理。鏈條傳動的自行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復雜的力學原理，如今仍無人能清晰完整地解答自行車憑啥可以成為“不倒翁”。

^{圖2 - 20世紀初的自行車（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。玩過陀螺的小伙伴都知道，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，陀螺并不會傾倒，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、陀螺半羅盤等儀表設備，可以方便地測出輪船的航向與飛機的姿態角。早期的科學家在對自行車進行一番力學分析后認為，正是自行車前輪的陀螺效應使它維持了穩定，當自行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 - 自行車前輪的陀螺效應（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，小伙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，自行車也能穩定行進，這又怎么解釋呢？

^{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，他在自行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，都不影響自行車的穩定性。

^{圖5 - 瓊斯與他設計的可消除陀螺效應的自行車（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，他認為由于“前輪尾跡”的存在，一旦自行車發生傾斜，便會自動產生一個將自行車扶正的偏轉角。

^{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，科學家們前仆后繼地投入到自行車穩定性的研究中。尤其自2006年瓊斯的論文被重新刊登以來，自行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》雜志，卻發表了一篇有關自行車的研究論文。和《科學》雜志高大上的形象相比，這篇頗顯“寒酸”的論文題目為“沒有陀螺效應和前輪尾跡的自行車也能自穩定”。看到這個題目，小伙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，研究者們制作了一種既沒有陀螺效應也沒有前輪尾跡的自行車模型，試驗結果表明，這樣的“兩無”自行車仍然能夠穩定行駛。令人遺憾的是，對于自行車為啥能穩定，論文的作者們卻表示：不知道。繞了一圈，人們對自行車穩定性的認識又回到了原點。