關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續報道關於發現和塑造我們當今世界的重大事件和想法。
善待你的腳踏車，因為你可能比它更需要你。
一旦滾動起來，腳踏車就可以自行前進——無需騎車人——這要歸功於一種稱為自穩定性的特性。如果腳踏車開始傾倒，它的前輪會轉向傾倒的方向，使腳踏車恢復平衡，就像騎車人在車把後方所做的那樣。當然，當腳踏車靜止時，這種穩定性就消失了——腳踏車有一個有限的自穩定速度範圍，在這個範圍內，即使被側向撞擊，它們也能夠恢復平衡 [請看下面的第一個影片]。
關於腳踏車如何工作——以及是什麼導致自穩定性——的問題，自 19 世紀以來就一直存在。多年來，已經出現了兩個主要因素來解釋無人腳踏車的平衡行為。一個是旋轉前輪的陀螺運動；另一個是稱為“前伸距”（trail）的設計特徵，即腳踏車轉向軸的位置，使得該軸與地面相交的點位於前輪與地面接觸點的前方。這兩個特徵都起到將腳踏車的轉向與其傾斜耦合的作用——如果腳踏車向右傾斜，它將向右轉向——使其能夠轉向傾倒的方向並保持直立。
但事實證明，對於自穩定的腳踏車來說，這兩個因素並非必要。在 4 月 15 日出版的《科學》雜誌上，來自荷蘭和美國的一個研究團隊描述了一種實驗性腳踏車，儘管它既沒有前伸距也沒有陀螺輪，但仍表現出自穩定性。“即使這兩個效應很重要，它們也不是必要的，”研究合著者、康奈爾大學機械工程教授 安迪·魯伊納 說。“就像巧克力蛋糕對美好的生日晚餐很重要一樣，它也不是必要的。”
魯伊納和他的同事們表示，這項演示表明，許多引數都有助於腳踏車的穩定性，並且比通常認為的更奇特的腳踏車設計可能出人意料地穩定。這一發現也強調了腳踏車實際上是多麼複雜的機器，以及它們動力學的理論基礎是多麼不完善。
“每個人都會騎腳踏車，但很少有人能描述其原理，”研究合著者、荷蘭代爾夫特理工大學機械工程教授 阿倫德·施瓦布 說。
“在過去一個世紀裡，腳踏車一直是一個令人困惑的話題，”伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校機械工程榮譽教授 理查德·克萊因 說，他沒有參與這項新研究。“它有太多的悖論、謎團和挑戰。”
其中一個挑戰，即解釋自穩定性，甚至吸引了 20 世紀早期著名的德國研究人員費利克斯·克萊因和阿諾德·索末菲爾德的注意。克萊因和索末菲爾德提出了陀螺前輪的角動量保持腳踏車穩定的理論。
前伸距的重要性由英國化學家大衛·瓊斯闡明，他在 1970 年在《今日物理》中敘述了他製造一輛無法騎行的腳踏車的努力。在他的實驗中，瓊斯發現了將轉向軸放置在使其指向前輪接觸地面位置前方的意義，並製造了一輛前輪向前延伸四英寸的腳踏車來證明他的發現。瓊斯報告說，當這輛腳踏車“以高速釋放時，令人滿意地撞到地面上”。
施瓦布說，在進行這項研究之前，他不會認為沒有陀螺扭矩或前伸距的腳踏車有可能表現出自穩定性。“一百萬年也不會，”他說。“在做這項研究之前，我還在說，這是陀螺效應和前伸距的作用。”但是，透過研究描述腳踏車運動的複雜數學方程式，研究人員發現了實現自穩定性的另一條途徑。該小組設計並製造了一輛原型腳踏車（它的小輪子和沒有座位的事實實際上更像兒童滑板車而不是腳踏車），其質量分佈使其能夠以恰到好處的方式向傾斜方向轉向，從而穩定腳踏車。
腳踏車的車頭，包括轉向軸，相對於地面具有比車尾更低的質心，因此車頭比車尾下落得更快，就像直立的鉛筆比長掃帚下落得更快一樣。腳踏車的車頭質量集中在轉向軸的前方，因此當腳踏車的車頭開始下落時，它會根據需要將腳踏車轉向傾倒的方向，以穩定整個裝置。
研究人員透過在腳踏車上安裝一套向後旋轉的匹配輪組來確保車輪的陀螺扭矩被抵消，從而抵消了向前旋轉的車輪的角動量。前伸距效應的消除僅僅是透過將實驗性腳踏車設計成使其轉向軸與地面的交點位於前輪接觸點之後。
這兩個因素確實是使滾動腳踏車具有自穩定性的主要貢獻者，並且曾經被認為是腳踏車自校正所必需的。“有人說它們中的每一個都是必不可少的，”加州大學戴維斯分校機械與航空工程教授 蒙特·哈伯德 說，他沒有參與這項研究。“但它們不是。”
“人們通常會認為，如果你沒有它們，你就什麼都沒有了，”克萊因說。“腳踏車將無法保持直立。”
在沒有陀螺效應或前伸距效應的情況下展示自穩定性並不意味著今天的腳踏車存在缺陷。腳踏車是高度進化的機器，透過戰略性的、漸進式的進步——以及試錯法——在幾十年中不斷改進，因此對穩定性的新見解不太可能取代已建立的腳踏車設計標準。“如果你看看他們製造的腳踏車，它確實是腳踏車，是的，但我不認為它為我們帶來了任何關於如何製造比我們現在擁有的腳踏車更好的腳踏車的設計建議，”哈伯德說。
克萊因自己的研究側重於腳踏車技術的應用，他質疑這些發現是否會對現實生活中的設計產生影響。“他們所做的是一項了不起的工作，”他說。“如果我是一個投資者，我會把錢投到他們的公司嗎？不會。”
“我們並不是聲稱這臺看起來很瘋狂的機器本身很有用，”魯伊納說。“這只是為了證明一個觀點。”儘管如此，質量分佈可能在標準設計領域之外的更好的腳踏車設計中發揮作用，例如摺疊腳踏車或躺臥式腳踏車。小輪腳踏車，陀螺扭矩在其中被最小化，可能特別適合提高穩定性。“它給你一種新的思考設計可能性方式，”魯伊納說。“情況更加複雜——還有其他設計引數會對穩定性產生影響。”
但是，關於是什麼導致無人腳踏車自行保持平衡的長期問題尚未得到解答——至少沒有以一種清晰的方式解答。研究人員指出，他們沒有發現任何對於自穩定性來說是必要的直接屬性組合。
對於施瓦布來說，經過多年的研究以及與合著者無數次的國際 Skype 聊天，僅僅為大多數人認為理所當然的事物增加一個新的方面就令人欣慰。“每次我提出這個話題，我都會遇到同樣的問題。每個人都聳聳肩說，‘我們有腳踏車，我們知道如何騎腳踏車，’”他說。“我現在仍然要與之抗爭：‘關於腳踏車有什麼新鮮事嗎？’”現在，他說，他將有一些東西可以告訴他們了。