自行车是18世纪被法国人发明的,最开始的自行车,是真正的“脚踏车”,没错,就是双脚踏在地上走得,而且转弯还要下车搬一下。说白了,就是一根木头连两个轮子,很简单的构思。
这样子的发明自然没有什么意义,所以很快就有一个叫德莱斯的德国森林管理员给它加了一个可以转动的握把,至少不用搬了。神奇的是,这样一个不起眼的东西,竟然经历了很多人的改造,出现过无数个造型。
最后一个叫作劳森的英国人看不下去了,给自行车安上了铰链。这个铰链传动系统前齿轮大后齿轮小,不仅省力,而且轮子也终于可以一样大了。这个造型最终定型,一直传到了今天。也就是说,在整个自行车的发展史里,从来没有什么科学家的参与,完全是凭借劳动人民的智慧和生活经验。
事实上在现实世界里有很多东西都是这样,人们只知道把它弄成这个样子能用,但是却不明白为什么。不过东西造出来之后,科学家最终参与了进来,开始发掘本质。
围绕着一个中心点旋转,不仅围绕自身中轴作自转,还围绕一个底部的点作公转摆动。只要陀螺的自转得足够快,摆动就会很小,陀螺就不会倒。这个快速旋转的陀螺不仅不会倒,而且即便是受到外力,也只会产生位移,而不是倒下,比如在崎岖不平的道路上自我修正的自行车。
这一现象被称为“角动量”。这显然是很容易让人接受的理论,既直观又简单。所以它统治了世界一百多年,出现在很多科普读物上。
在陀螺效应的统治年代里,就有很多人对其提出了质疑。
比如物理学家索墨菲,他认为如果是“陀螺效应”主导了自行车的平衡,那么自行车的车轮应该尽可能用重的车轮的边缘和轮胎取代轻的来加强这一效应,但是事实却是相反。由车轮的构造可以看出,陀螺效应其实很小。
不过真正打破这一理论的是英国人大卫·骏斯,他提出了前轮尾迹理论。前轮尾迹的核心,是重心得不断调整。自行车直立时,前轮向前没有偏转角,但是如果自行车倾斜一个角度,自行车的前轮也会随之偏转一个角度。
前叉点和自行车的倾斜角以及前轮偏转角,存在一个函数关系。他用计算机计算了这个函数关系,即将倒地的自行车重心由上面回到下面,从而保持自行车的平衡。就像我们骑车时,面对歪了的自行车,会自觉地向同一个方向修正车头,让其恢复正常。
验证自行车因为什么原理而平衡的核心,是在自行车上去掉这个原理后,自行车的平衡系统就失效。对于科学家们来说,自然不能像一些人那样依靠想当然的颅内科学来诡辩,一切理论科学最终都要依靠实验科学来证伪。
面对自行车,科学家们的方法就是造出一个缺失某个原理的自行车,观察其是否依旧平衡。骏斯就制造了一个同时拥有两个前轮的自行车。这个自行车的两个前轮,互相平行,分别朝着相反的方向同速转动,用以抵消陀螺效应中的角动量。
神奇的是,这辆自行车依旧行走自如,所以“陀螺效应”理论不攻自破。
这几名科学家制造了一辆变态的自行车,这辆自行车不仅有四个轮子同时抵消了前后轮的角动量,而且前轮尾迹为负数。可惜的是,这辆自行车依旧在体育馆里被推动后自在的行驶,直到速度耗尽。研究者甚至还在自行车自行驶过程中略微推了它一下,但是很快这辆小车又自己调整到直线轨道。
唯一的发现,就是人们发现如果固定这辆自行车的龙头,那么它将不能保持平衡,但依旧不知道为什么。所以时至今日,自行车不倒的问题,依旧没能得到解决。科学家们只能模糊地感觉到,陀螺效应、前轮尾迹和自行车前部重心三个因素,可能以一种内在关系,左右着自行车的平衡。
人类对于自行车的应用,更像是人类在适应自行车。因此在自然界,只存在人类、猴子等少数几种动物,会骑自行车。自行车的背后,生物的大脑或许是一个更大的谜团。