世界騎行日丨小輪子中的平衡奧秘，讓自行車平穩(wěn)行駛只需要力與你

出品：科普中國

作者：星之隊（青年學(xué)者）

監(jiān)制：中國科普博覽

9月17日是“世界騎行日”，旨在鼓勵人們多騎自行車出行、倡導(dǎo)綠色交通。作為一種綠色環(huán)保的出行方式，自行車早已深入人心，甚至是許多人日常出行的必備工具。然而，這一我們再常見不過的交通工具，實則如同一個會施法的魔術(shù)師。當我們坐上自行車，用力蹬踏，便神奇地保持了平衡——盡管自行車僅有兩個緊挨的輪子。而當我們停下來，自行車則會搖搖晃晃，但只要開始騎行，好像就有無形的力量在支撐著我們。

有什么神秘的力量使自行車能夠以此方式運作呢？我們又如何在兩個輪上穩(wěn)穩(wěn)前行，而非東倒西歪呢？

滑行還是騎行？自行車的進化史

這就要從自行車的歷史說起了。自行車的發(fā)展歷史可以被看作是一部獨特的設(shè)計進化史，期間充滿了對穩(wěn)定、效率和舒適性的追求。最初的自行車產(chǎn)生于19世紀初的歐洲，當時的自行車無法用腳蹬踏，駕駛者只能用雙腳著地推動，更像是一種滑行工具。而且這種設(shè)計穩(wěn)定性不足，易于傾倒。

最初的自行車更像是一個滑行工具

（圖片來源：維基百科）

于是，“高輪車”應(yīng)運而生，它的特點是前輪很大，后輪則顯得特別小。大輪子可以更輕松地越過路面障礙，穩(wěn)定性得到了增強。然而，騎手需要坐在高處，增大了騎行的風險。于是不久后，聰明的設(shè)計師們又設(shè)計出了我們現(xiàn)在常見的自行車類型——兩輪大小相等，騎手坐在中間。這種設(shè)計增加了自行車的穩(wěn)定性和安全性，為自行車的快速普及打下了基礎(chǔ)。

高輪車，其特點是前輪特別大

（圖片來源：斯科達博物館官網(wǎng)）

第一輛現(xiàn)代自行車，當時又叫安全車，是約翰·斯塔利于1885年設(shè)計的。

（圖片來源：cyclingindependent官網(wǎng)）

保持自行車平衡的神秘力量

我們在騎自行車時，感覺好像某種無形的力量在保持著自行車的平衡。這是什么力量呢？

讓我們從牛頓的第一運動定律，即慣性定律開始解釋為何我們騎自行車時能保持平衡。

簡單來說，一旦自行車達到了一定的速度，它就會試圖維持前進的狀態(tài)。即使你停止蹬踏，由于車輪和自行車本身的慣性，自行車仍會繼續(xù)行駛一段距離。

除非受到外力干預(yù)（例如轉(zhuǎn)彎，剎車或者抵擋風），自行車會始終嘗試沿直線前進。這就解釋了為什么在平路上以穩(wěn)定的速度騎自行車比在啟動、停止或轉(zhuǎn)彎時更容易。

生活中我們會經(jīng)常體驗到慣性定律的存在，例如當公交車剎車時，我們的身體會前傾，就是因為慣性定律。

公交車上的扶手，防止乘客因剎車的慣性而摔倒

（圖片來源：Veer圖庫）

然而，慣性定律只能解釋自行車為何能保持方向不變，卻解釋不了為何自行車不會左右傾倒。這就需要角動量守恒定律，它對自行車保持平衡的影響不可忽視。

在自行車的設(shè)計中，輪胎的旋轉(zhuǎn)本質(zhì)上就創(chuàng)造了一個角動量。根據(jù)角動量守恒定律，非受外力矩作用，系統(tǒng)的總角動量將保持不變。而角動量是一個和方向有關(guān)的物理量，要保持它守恒，物體旋轉(zhuǎn)的方向就不能發(fā)生改變。因此，快速旋轉(zhuǎn)的輪子將盡力保持其旋轉(zhuǎn)平面的穩(wěn)定，這就是著名的“陀螺儀效應(yīng)”。這也解釋了為什么騎行狀態(tài)下的自行車，尤其是在輪胎轉(zhuǎn)動速度越快時，難以傾倒并且更加穩(wěn)定。

另一個典型的例子就是玩具陀螺。當陀螺在獲得足夠的速度后，可以保持旋轉(zhuǎn)而不倒下。這是因為陀螺的輪軸會產(chǎn)生一定的角動量，這種動量會阻止陀螺的旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生改變。有的讀者可能玩過指尖陀螺，當指尖陀螺旋轉(zhuǎn)起來之后，如果這個時候試圖改變它的旋轉(zhuǎn)平面，我們會明顯地感受到有股力量在抗衡，這股力量就是指尖陀螺的角動量。

旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的陀螺

當陀螺被鞭子抽打起來獲得角動量之后就能保持旋轉(zhuǎn)而不倒下

（圖片來源：Veer圖庫）

人與力在騎行中的完美配合

在我們介紹了慣性和角動量兩個物理原理之后，讀者們可能會對騎自行車的體驗有了更深的理解。盡管物理原理對自行車的穩(wěn)定性發(fā)揮了關(guān)鍵影響，但騎手的作用也頗為重要。

騎手的體重、體位和力的分布，共同決定了自行車的整體穩(wěn)定性。想象一下，當自行車在顛簸的道路上開始搖晃時，你會如何反應(yīng)？你可能會不由自主地向相反方向傾斜，試圖抵消力的作用，讓自行車重回平衡。這就意味著騎手需要精準地感知自行車的動態(tài)平衡，然后根據(jù)情況調(diào)整自己的身體或者方向以保持穩(wěn)定。

盡管有物理原理來保證自行車的平衡，但是平穩(wěn)快速的騎行自行車還是需要一定的訓(xùn)練和技巧。

（圖片來源：Veer圖庫）

結(jié)語

總的來說，自行車的穩(wěn)定性不僅僅是物理定理的應(yīng)用，更是騎手技藝的展示。當你看見一位騎行者飛奔在自行車上，其實你看到的是人類與自然規(guī)律之間的精彩對話。那個畫面既是陀螺效應(yīng)的生動實例，亦是精密協(xié)調(diào)運動的人體展示。