為什麼自行車能保持平衡？

對自行車的「溺愛」可能不光是你從荷蘭看到的高普及率，同時，那裡熱愛自行車的工程師還非得打破砂鍋問到底，十分蛋疼地挑戰我們固有的觀念——關於自行車是怎樣保持平衡的，即使在我們的愛車一直被擠被蹭。

這個研究團隊發現正是一些我們之前不能察覺的因素使自行車不倒，而且做出了一大批不同尋常的新設計，它們按我們常規思考是不可能保持穩定的。

「我們相信要提升自行車的操控性，還是有空間的」 Arend Schwab說，這是一位來自德爾福特大學（Delft University）在工程力學領域的專家。

一輛傳統的自行車在行駛過程中總是非常的穩定。即使沒有駕駛者，它也能滑動相當長的距離而不傾倒。早在1910，科學家認為自行車的穩定性靠的是前輪，它有著想陀螺一樣的功能。當轉輪開始傾斜，它會讓龍頭順著傾斜方向轉動，牽著車體走出一條曲線保持直立。

在1970年，David E.H. Jones，一名來自英國帝國化工集團（ICI）的一名光譜分析家，為了驗證上面的解釋，他嘗試製作了一輛不能騎的測試自行車。他在後輪的車架上安裝了一個附加輪以抵消陀螺效應。這樣的自行車只是穩定性變差了——還不至於不能騎，雖然當初沒有設計把手。

Jones 嘗試尋找其他的穩定效應來解釋，最後得到一個結果，與購物車的腳輪的原理接近。當你扶著一輛車，推它向另一邊，重力會使輪子轉向。這個「軌道效應」是基於前輪位置與連接輪子和把手的「操控軸」存在有相對的夾角。Jones發現，只要把輪子前推幾英尺，一般的自行車就會失去穩定性。

這篇論文發表在《今日物理》（Physic Today）上，描述了這些實驗。它被廣泛地閱覽，而且也傳到美國科瓦利斯一所高中。在這裡上學的Ore. Jim Papadopoulos還是一名競技自行車運動員。當時的他對數學還沒有什麼認識，知道研究生階段，這開始困擾他了。

「我花了30年才正視這個」Papadopoulos說，現在的他是位於梅諾莫尼威斯康辛大學斯托特分校的一名工程師。「Jones的論文並不是闡述一種掉落的物理，相反地，他解釋了物體維持穩定的原因。」

Papadopoulos 召集一批康奈爾大學的研究者和一支來自荷蘭的隊伍，組織成一支新的研究團隊。他們致力於製成一種新型的自行車，是不含陀螺和軌跡的。他們的沒有駕駛者的新發明，安裝有兩個反轉的輪子，在轉向軸之前還有一個觸地的輪子，這樣在滑行狀態也能穩定。如果給它一個側推，車子將會走出曲線，擺正，然後恢復平衡。

「為了使自行車自平衡，你並不一定要個陀螺或者軌跡結構」Andy Ruina說，他是來自康奈爾機械工程的教授，並參與了發表在4月15日《科學》上一篇論文的寫作。

這個團隊的研究表明自行車要比原來的設想更為複雜。Ruina說，雖然陀螺效應和軌道效應都有助於穩定性的提高，但是還有其他因素諸如質量的分布，車子當時的慣性。計算機模擬能把這些因素進行綜合考量。這能改進設計出可摺疊或是能拉貨的自行車。

為了證明這一理論的可行性，研究人員勾勒了幾種新穎自行車的設計草圖。其中一種即使在朝反向作用有負效應陀螺影響下，依然能保持平衡。另外一種，轉向軸是翻轉的，這樣手把就會離前輪中心更遠。

「他們發現一種設計加了尾輪，這樣可以騎了，也能穩定自身。」 MIT的退休教授David Gordon Wilson，曾在上個70年代提出現代傾斜自行車，如是說，「這是在太令人驚奇了。」

在仿真過程中，他們的新設計原則在加上人的重量後依然有效，但是實際結果要上路試一試。

「我們下一步會研究真實中下有駕駛者的情況，實際的路況十分複雜，我們會用一個裝滿儀器的自行車來測試，這樣找到現實中我們是怎樣騎車的」Joel Fajans說。他是加州理工伯克利分析的等離子物理學家，現在研究自行車。

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