前轮轨迹越长,自行车也就越稳定(虽然也会越难骑);而负的前轮轨迹则会让自行车无法维持平衡。
这时候再回到我们开局的问题,车轮拆成三份之后,过长的前轮使得车的前轮轨迹在大部分时间都变成了负的,因此就无法维持平衡。
琼斯也对自己提出的这一理论非常自豪。在 40 年后出版的回忆录中,他将这一理论视为自己的伟大成就之一,并宣称:“我现在被誉为现代自行车理论之父”。
但是,科学界最不缺少的就是反转。
在琼斯的回忆录出版的第二年(2011 年),一篇发表在 Science 杂志上的文章横空出世,题为“A Bicycle Can Be Self-Stable Without Gyroscopic or Caster Effects”(自行车可以在没有陀螺效应和转向轮后倾效应作用下保持自稳定)。
这篇文章的研究团队做的事情与琼斯一脉相承:设计一款排除上述效应后仍可维持稳定的自行车。
琼斯的转向轮后倾理论中,前轮是在重力作用下发生的后倾,那就将整个车体的重量进行重新分布,抵消掉负的前轮轨迹的影响。再消除陀螺效应影响,就有了下面这款自行车。
前后轮设计成了上下两个轮子,这两个轮子转向相反,角动量互相抵消;转向轴延长线与地面交点在轮子与地面接触点之后,前轮轨迹为负。
文章作者解释道,通过将车子重心提前,可以抵消掉负的前轮轨迹带来的影响,这样在倾倒时,前轮依然会后倾带动车子转向,使车子的重心回到中间,恢复平衡。
这也就是自行车维持平衡的第三种方法 —— 改变质量分布。
但是这篇文章并不是在否定前两种解释。
这也是这篇文章突破性的一点。它认为,陀螺效应、转向轮后倾效应以及文中提到的改变质量分布三种理论都能解释自行车的平衡问题,是自行车平衡的充分不必要条件。
细心的读者可能已经发现了,三种理论中都有共同的一点:将车身的倾倒变为转向。这就是自行车能维持平衡的根本原因。
当满足上述三条理论中任意一条时,就可以推断出车子能保持平衡;而当这三条都不满足时,只要能做到将车身的倾倒变为转向,车子也可以保持平衡。
我们知道了自行车维持平衡的根本原因是将倾倒变成转向,也知道了三种可以实现这种转变的理论以及相应的自行车设计。
但我们仍不知道会不会有更多的理论可以实现这种转变,也不知道会不会有一种理论可以达成自行车平衡的充分必要解。我们仍缺少一种关于自行车平衡的“大一统理论”。
哦对了,提醒一下大家不要忘记了后轮。虽然它在三种理论中都没什么存在感(也确实跟它没有关系),但它仍是自行车不可缺少的一部分,少了它,自行车就不能... 独轮车也能骑?那没事了。
回到开头的问题,那个自行车不能平衡的问题解决了吗?