自行车如何能保持平衡只需要“力”与“你”

作为一种绿色环保的出行方式，自行车早已深入人心，甚至是许多人日常出行的必备工具。然而，这一我们再常见不过的交通工具，实则如同一个会施法的魔术师。当我们坐上自行车，用力蹬踏，便神奇地保持了平衡——尽管自行车仅有两个紧挨的轮子。而当我们停下来，自行车则会摇摇晃晃，但只要开始骑行，好像就有无形的力量在支撑着我们。

有什么神秘的力量使自行车能够以此方式运作呢？我们又如何在两个轮上稳稳前行，而非东倒西歪呢？

滑行还是骑行？自行车的进化史

这就要从自行车的历史说起了。自行车的发展历史可以被看作是一部独特的设计进化史，期间充满了对稳定、效率和舒适性的追求。最初的自行车产生于19世纪初的欧洲，当时的自行车无法用脚蹬踏，驾驶者只能用双脚着地推动，更像是一种滑行工具。而且这种设计稳定性不足，易于倾倒。

最初的自行车更像是一个滑行工具

于是，“高轮车”应运而生，它的特点是前轮很大，后轮则显得特别小。大轮子可以更轻松地越过路面障碍，稳定性得到了增强。然而，骑手需要坐在高处，增大了骑行的风险。于是不久后，聪明的设计师们又设计出了我们现在常见的自行车类型——两轮大小相等，骑手坐在中间。这种设计增加了自行车的稳定性和安全性，为自行车的快速普及打下了基础。

高轮车，其特点是前轮特别大

第一辆现代自行车，当时又叫安全车，是约翰·斯塔利于1885年设计的。

保持自行车平衡的神秘力量

我们在骑自行车时，感觉好像某种无形的力量在保持着自行车的平衡。这是什么力量呢？

让我们从牛顿的第一运动定律，即惯性定律开始解释为何我们骑自行车时能保持平衡。

简单来说，一旦自行车达到了一定的速度，它就会试图维持前进的状态。即使你停止蹬踏，由于车轮和自行车本身的惯性，自行车仍会继续行驶一段距离。

除非受到外力干预（例如转弯，刹车或者抵挡风），自行车会始终尝试沿直线前进。这就解释了为什么在平路上以稳定的速度骑自行车比在启动、停止或转弯时更容易。

生活中我们会经常体验到惯性定律的存在，例如当公交车刹车时，我们的身体会前倾，就是因为惯性定律。

公交车上的扶手，防止乘客因刹车的惯性而摔倒。

然而，惯性定律只能解释自行车为何能保持方向不变，却解释不了为何自行车不会左右倾倒。这就需要角动量守恒定律，它对自行车保持平衡的影响不可忽视。

在自行车的设计中，轮胎的旋转本质上就创造了一个角动量。根据角动量守恒定律，非受外力矩作用，系统的总角动量将保持不变。而角动量是一个和方向有关的物理量，要保持它守恒，物体旋转的方向就不能发生改变。因此，快速旋转的轮子将尽力保持其旋转平面的稳定，这就是著名的“陀螺仪效应”。这也解释了为什么骑行状态下的自行车，尤其是在轮胎转动速度越快时，难以倾倒并且更加稳定。

另一个典型的例子就是玩具陀螺。当陀螺在获得足够的速度后，可以保持旋转而不倒下。这是因为陀螺的轮轴会产生一定的角动量，这种动量会阻止陀螺的旋转轴发生改变。有的读者可能玩过指尖陀螺，当指尖陀螺旋转起来之后，如果这个时候试图改变它的旋转平面，我们会明显地感受到有股力量在抗衡，这股力量就是指尖陀螺的角动量。

旋转状态下的陀螺

当陀螺被鞭子抽打起来获得角动量之后就能保持旋转而不倒下

人与力在骑行中的完美配合

在我们介绍了惯性和角动量两个物理原理之后，读者们可能会对骑自行车的体验有了更深的理解。尽管物理原理对自行车的稳定性发挥了关键影响，但骑手的作用也颇为重要。

骑手的体重、体位和力的分布，共同决定了自行车的整体稳定性。想象一下，当自行车在颠簸的道路上开始摇晃时，你会如何反应？你可能会不由自主地向相反方向倾斜，试图抵消力的作用，让自行车重回平衡。这就意味着骑手需要精准地感知自行车的动态平衡，然后根据情况调整自己的身体或者方向以保持稳定。

尽管有物理原理来保证自行车的平衡，但是平稳快速的骑行自行车还是需要一定的训练和技巧。

结语

总的来说，自行车的稳定性不仅仅是物理定理的应用，更是骑手技艺的展示。当你看见一位骑行者飞奔在自行车上，其实你看到的是人类与自然规律之间的精彩对话。那个画面既是陀螺效应的生动实例，亦是精密协调运动的人体展示。

出品：科普中国

作者：星之队（青年学者）

监制：中国科普博览

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