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有一句老话这么说——“这就像骑自行车一样简单”。事实上，在广阔的交通世界中，很少有车辆能像简陋的自行车那样机械优雅。自行车最基本的结构只有一个管状框架、两个轮子、一个可操纵的叉子、一个座椅、踏板和一个链传动。130多年来，这种结构基本上保持不变，所以可以放心地假设科学家和工程师们对自行车设计了如指掌，对吗？不，事实上，在自行车看似简单的外表下隐藏着一个深刻的科学谜团。这是我们许多人亲眼目睹的一种现象：让一辆无人驾驶的自行车滑行，它将保持直立，抵抗所有试图将其倾倒的努力，直到它最终减速并摔倒。然而令人难以置信的是，尽管经过了一个多世纪的研究，我们仍然无法100%理解其中的原因。
我们今天所认识的第一辆自行车是1820年以德国发明家卡尔·德赖斯的“骏马”或“德赖辛”的形式出现的，与现代自行车不同，德赖辛没有踏板，只能用脚踢来推动，就像现代的踏板车一样。在接下来的70年里，这辆自行车将演变成许多奇怪而奇妙的形态，包括19世纪70年代和19世纪80年代流行的前轮大后轮小的自行车。但直到19世纪90年代，现代的“安全”自行车才最终出现，这种自行车的轮子大小相同，带有链条驱动装置。这种设计将席卷全球，为大众带来负担得起的交通工具，并催生一个如今价值近500亿美元的全球产业。除了在形状、材料和齿轮技术上有相对较小的改进外，普通自行车的基本设计在一个多世纪里基本没有改变，使其成为有史以来的经典设计之一。
然而，尽管安全自行车的机械优雅和成功，其设计中几乎没有科学或数学知识，其配置是通过反复试验得出的。直到世纪之交，数学家才开始认真研究自行车非凡稳定性背后的神秘物理。最全面的早期分析是1899年由英国数学家弗朗西斯·惠普尔进行的，1910年由德国数学家菲利克斯·克莱因和弗里茨·诺瑟进行的，他们利用刚体力学确定自行车的稳定性主要是由于陀螺进动。这是旋转物体在空间中保持刚性固定和抵抗方向变化的趋势，并负责保持旋转顶端直立。因此，根据惠普尔、克莱因和诺瑟的说法，自行车上的车轮起着大型陀螺仪的作用，它们的旋转使车辆保持直立。
近60年来，这一直是自行车稳定性的公认解释，直到1970年，英国科学作家戴维·琼斯研究了克莱因和诺瑟的分析，发现了一些数学错误，有效地抵消了陀螺进动的影响。此外，分析参数假设自行车是静止的，即使静止的自行车显然不稳定。为了证明他的观点，琼斯制造了一辆带有额外反向旋转车轮的自行车，抵消了主车轮的陀螺效应，并发现它和普通自行车一样稳定。自行车非凡的自我扶正能力是由其他原因造成的。早在19世纪60年代，苏格兰工程师威廉·兰金（William Rankine）就观察到，当滑行的自行车开始翻倒时，前轮会自动转向，使自行车再次恢复正常。事实上，如果自行车的把手被系上，前轮就不能再转向了，它会立即变得不稳定。基于这种反向转向现象，琼斯提出了一种新的自行车转向模型，他称之为“脚轮理论”。
脚轮，比如购物车上的脚轮，是指转向轴和地面接触点不对齐的车轮，两者之间的距离称为“轨迹”，这种偏移会使脚轮自动与行驶方向对齐，从而使购物车上的四个车轮能够同时转向。在研究常见的自行车设计时，琼斯意识到，前轮的标准72度角将转向轴（沿着前轮延伸到地面的假想线）置于车轮的地面接触点之前，有效地将其变成了一个巨大的脚轮。琼斯由此得出结论，只有具有正轨迹的自行车才能保持稳定，脚轮效应是自行车自我扶正能力的唯一机制。在那里，他留下了这件事，甚至在30年后的回忆录中吹嘘道：“我现在被誉为现代自行车理论之父。”
但琼斯的成就不能让他沾沾自喜太久，因为很快就会有另一位研究人员到来，揭开自行车稳定性的神秘面纱。1975年，在康奈尔大学工作的美国工程师吉姆·帕帕佐普洛斯（Jim Papadopoulos）开始审查近一个世纪的自行车理论学术论文，但他对自己的发现并不满意。与最初的克莱因和诺瑟分析一样，这些论文要么做出了过于简单的假设，要么出现了数学错误，很少相互引用，或者建立在之前的研究基础上。经过一年的工作，帕帕佐普洛斯成功地将所有这些不同的分析组合成了一组统一的方程组，这立即表明琼斯是错的：事实上，只要重量分布向前移动很远，就有可能制造出一辆具有负轨迹的稳定自行车。帕帕佐普洛斯与工程师安迪·瑞纳（Andy Ruina）共同发起了康奈尔大学自行车研究项目，目的是更好地理解自行车动力学，并将这种理解传递给行业，以便生产出更好、更高效的自行车。
根据帕帕佐普洛斯的计算，该团队建造了一个几乎与自行车相似的实验装置，带有小轮子和反向旋转的轮子来抵消陀螺效应，一条反向轨迹来抵消脚轮效应，以及一个长而重的悬臂延伸到前轮前面。令人惊讶的是，这个奇怪的装置被证明是完全稳定的，证明了陀螺进动和后倾角效应都不是反向转向现象的唯一原因。对一个小前轮和大后轮模型的进一步研究提出了一个可能的替代解释：当自行车开始下落时，前端较短，下落速度比后端快。然而，由于两端是刚性连接的，前端用它拉动后部，导致轮子立即转向，使车辆向右倾斜。
尽管有了这一飞跃，康奈尔大学的自行车研究项目还是昙花一现。它不仅未能吸引多家小型自行车公司的赞助，而且帕帕佐普洛斯也迟迟没有公布他们的发现，后来承认：
“我发现更多的乐趣是发现新事物和解决细节，当然，写下来很无聊。”
无论如何，由于几乎没有发表论文来展示他们的工作，该项目解散了，帕帕佐普洛斯离开了自行车研究，搬到了伊利诺伊州，最后成为一家厕纸制造公司的工程师。
2001年，麻省理工学院工程师大卫·威尔逊（David Wilson）邀请帕帕佐普洛斯（Papadopoulos）共同撰写了《自行车科学》（Bicycling Science）一书的第三版。但由于离婚、巨额债务和其他个人责任的困扰，帕帕佐普洛斯花了整整两年的时间才完成这项工作——这让威尔逊非常失望。
与此同时，安迪·瑞纳（Andy Ruina）继续肩负着自行车研究的火炬，于2001年与同事阿伦德·施瓦布（Arend Schwab）合作，在——荷兰（的哪个地方来着？）建立了一个自行车研究中心。2003年，帕帕佐普洛斯加入了该团队，他、瑞纳和施瓦布与代尔夫特大学的J.D.G.库伊曼和J.P.迈亚德一起确认了他们在20世纪70年代的研究成果，同时将他们的研究推进到了一个新的、更高科技的领域——例如，通过制造一个自行车机器人，它可以通过单独转向保持自行车直立，没有任何重量移动或稳定陀螺仪。这项研究最终在2011年发表了一篇开创性的论文，题为《自行车可以在没有陀螺或脚轮效应的情况下保持自稳定》。
代尔夫特研究中心还生产了各种非传统的自行车设计，如稳定的后轮转向自行车、后轮驱动横卧式自行车、将转向与平衡分离的线控转向自行车，以及在低速时自动稳定自身的电动转向辅助自行车。虽然这些奇怪的创造看起来可能仅仅是机械上的新奇玩意儿，但瑞纳认为，鉴于数百万人每天依靠自行车进行交通运输，它们具有造福世界的巨大潜力：
“有了这些外观的变化，人们可能会有更容易让老年人骑的自行车，更容易操控的自行车，但直行时仍然感觉稳定，坐着更舒适的自行车，或者有更方便存放或携带儿童的地方的自行车。”
但是，尽管代尔夫特团队看到了自行车设计进化的无限可能性，自行车行业却迟迟没有采纳他们的发现。这种不情愿的部分原因是现实的：尽管它是在反复试验中诞生的，但经典的自行车设计简单、坚固，而且简单易行。但另一个因素是组织方面的：国际自行车运动管理机构UCI已经按照传统路线对公路自行车的设计进行了标准化，迫使行业遵守其指导方针。但阿伦德·施瓦布（Arend Schwab）持乐观态度，在TEDx的一次演讲中表示：
“我的愿景是，通过仔细的实验和经过验证的计算机模型，我们可以超越19世纪的自行车进化，进入21世纪的自行车革命。”
尽管代尔夫特团队和其他研究人员取得了巨大的进步，但自行车稳定性的动力学仍然是一个鲜为人知的谜，对于加州大学戴维斯分校的蒙特·哈伯德（Mont Hubbard）等研究人员来说，这个谜既令人沮丧又令人兴奋：
“每个人都知道如何骑自行车，但没有人知道为什么我们可以骑自行车。从纯智力的角度来看，对自行车的研究很有趣，但它也有实际意义，因为它能让人们四处走动。”
我们都被困在19世纪，那时数学、物理和工程学之间没有太大的区别。自行车是一道数学题，碰巧与你能看到的东西有关。”
如果不说别的，自行车在发明130年后仍然成功地击败了世界顶尖数学家和工程师，这一事实是一个令人谦卑的教训，说明我们对宇宙运行的了解仍然很少——量子物理学家迈克尔·布鲁克斯（Michael Brooks）在2013年或许最好地表达了这一教训：
“忘记神秘的暗物质和宇宙不可思议的加速膨胀吧；自行车代表着物理学成就中一个更令人尴尬的漏洞。”
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作者/Gilles Messier
译者/Lancelot
原文/www.todayifoundout.com/index.php/2022/05/we-still-dont-know-how-bicycles-work/
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