Why don't bicycles fall over?
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嘿，教育工作者们！你们想帮助学生们更多地了解课堂外的世界吗？为什么树叶在秋天会变色？为什么动物会冬眠？鸟儿怎么知道什么时候迁徙？来看看《But Why Adventures》吧。我们的系列节目《东北自然》每月都会探索自然景观背后的科学知识。

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这里是《But Why》，一个来自佛蒙特公共广播电台的儿童好奇心播客。我是Jane Lindholm。在这个节目中，你们提出问题，我们找到合适的人来帮助你们解答。现在是夏天，至少在北半球是这样。我希望这意味着你们有时间去户外，也许骑自行车。

节目的后半部分，我们将听到一位非常喜欢骑自行车的人的故事，她把骑自行车变成了自己的事业。Leah Davison，前奥运山地自行车运动员。但对我们大多数人来说，骑自行车只是一项娱乐活动，是一种爱好。当你学习骑车时，真正的障碍是获得自信，弄清楚如何在两个轮子上保持平衡。而平衡的奥秘让你们中的一位好奇地提出了这个问题。

嗨，我是Ryland。我来自佛蒙特州的Underhill。我四岁了。我想了解为什么自行车在直行或转弯时不会倒，但在停下来时会倒。嗨，Ryland。我是Andy Ruina，我住在纽约州的伊萨卡，我在康奈尔大学教工程学。所以，我是一名教师。Ruina教授说，他对这个问题的兴趣始于大约与Ryland相同的年龄。

事实上，我找到我母亲在我四岁时写的一张关于我的便条，我问她或其他人，我问，为什么旋转时顶部会保持竖立，而不旋转时却不会？这与你问的问题并不完全相同，而且答案也与你的问题不同，但我从你这么大的时候就开始思考这类问题了。

让我们来解答这个问题，但我先警告你，这有点复杂。之所以这是一个好问题，是因为有些事情你认为应该会倒，而有些事情你认为不应该会倒。如果你看桌子上的一个玻璃杯，没有人摇晃桌子，你认为它不应该倒。或者你看桌子，你认为它不会倒。

或者如果你看地板上的一个盒子，你认为它不会倒。或者如果你看天花板上挂着的灯，你认为它不会倒。那么，你认为会倒的东西是什么呢？你认为会倒的东西是底部支撑不够宽或不够广的东西。例如，如果你拿一把扫帚或拖把，

把它的头部向上，把把手放在地板上，然后试图让它保持平衡，它就会倒。或者如果你拿一根针或别针，试图把它竖起来，它就会倒。或者如果你拿一根牙签放在地上或桌子上，它就会倒。如果你拿高大的东西，只用一个点支撑它们，或者用一条窄线支撑它们，它们就会倒。

自行车就是这样一种东西。想象一下，有人正在骑自行车，也许他们没有骑自行车，也许自行车是静止的，或者它正在移动，而你就在他们后面。如果你就在他们后面，就在他们正后方，看起来自行车是靠一个点支撑的，因为两个轮子一个在前一个在后，没有什么可以阻止自行车侧翻。

所以扫帚、针、别针以及你认为会倒的东西都是这样，没有什么可以阻止它们侧翻。那么为什么它们会侧翻呢？这是因为，如果它们稍微倾斜一点，而它们总是稍微倾斜一点，那么重力就会向下推，地面就会向上推。这两个推力并没有对齐，它会导致翻倒。比如说，如果它向右倾斜，

重力会把它更多地推向右边，而地面力，或者地面接触的地方在左边，它会把它推倒。所以东西之所以会倒，是因为如果它们稍微倾斜一点，就没有什么可以阻止它们倒下了。重力是使东西掉落到地面的力。也许最容易理解的是，比如说，一个人站着。一个人站着，他们的脚很大。

所以你会说，他们不应该倒，因为他们的脚很大，这可以防止他们翻倒。那么，站在高跷上的人呢？你知道高跷是什么吗？高跷是这些棍子，人们在高跷上行走，它们只是小棍子。它们底部只有大约一英寸宽。如果有人站在高跷上，他们基本上无法站稳，因为如果他们站稳了，他们就会像……

扫帚、针、牙签或任何高而窄的东西一样倒下。人们在高跷上做什么呢？当他们开始倒下时，他们会迈一步。所以他们把支撑点移到侧面，以防止自己倒下，自行车也是这样。虽然有点难以看出，所以我尽量给你描述一下。如果你从后面看一辆自行车

当有人骑自行车时，你从后面看着他们，想象一下他们开始向右倒，自行车也向右倾斜。他们必须做的是把车轮移到右边，以防止自己倒下。他们想用车轮迈一步，但是你不能在自行车上迈步。所以发生的事情是，自行车上的人向右转动车把，

因为自行车向前移动，当他们向右转向时，它会将车轮移到右边。所以它将车轮接触地面的位置移回到人的下方，他们就可以保持平衡了。所以就像你在高跷上，你向右倒，你迈一步，你把脚接触地面或高跷接触地面的位置移到人的下方。当自行车向右倒时，

骑车人向右转动自行车，并将车轮移到他们的下方，然后他们就被他们体重下方的地方支撑住了，他们就不会倒了。如果自行车没有向前移动，你把它转向右边，它根本不会向右边移动，因为自行车只是转动车轮，车轮只是停留在原地。那么，自行车移动的关键是什么呢？

当自行车移动时，当你转向自行车，转动车把时，它会使轮胎向侧面移动。你认为转向自行车会导致它转弯，但实际上转向的主要作用是平衡自行车，因为在移动的自行车上，当你转向时，它会向侧面移动。

现在你可能会想，也许是因为车轮在旋转，也许是因为你在摆动身体来保持平衡，也许是因为它在向前移动，有些人会说动量使自行车保持平衡，所有这些都是无稽之谈。你可以证明它们是无稽之谈的方法是，你可以拿一辆自行车，用绳子绑住方向盘，这样你就无法转向了。

然后你骑上自行车，有人推你让你向前走。你知道你会做什么吗？你会摔倒，你什么也做不了。

如果自行车不能转向，自行车就无法保持平衡。如果自行车没有移动，它也无法保持平衡。事实上，他说一些非常有天赋的马戏演员可以在不向前移动的情况下保持平衡。但那是因为他们正在用他们的身体转向或保持平衡。有时你会看到在交通灯前停下来的骑车人，他们似乎在不移动的情况下保持直立。这叫做支撑停。

Ruina教授说，他们实际上是在前后移动，并利用车轮的侧向运动来保持平衡。但对我们其他人来说，是向前移动和转向的结合使自行车保持平衡。想尝试一个平衡实验来说明Ruina教授解释的原理吗？去拿一把扫帚。把扫帚棍的末端放在你的手掌里，也就是手柄的顶部，这样扫帚的刷毛就笔直地向上。

现在尝试平衡扫帚。你可能需要移动你的手来保持平衡。也许你应该在外面试试这个。如果扫帚开始向右倾斜，把你的手向右移动，看看你能不能让扫帚保持竖立。如果扫帚开始向左倒，你把你的手掌向左移动，就在扫帚的正下方。看看你能不能通过不断地将你的手移到扫帚的下方来保持平衡，让它保持直立。

Ruina教授还花了很多时间思考另一个问题。即使没有人骑，自行车如何才能自行保持平衡？当自行车静止不动时不行，我们已经了解了这一点。但是，如果你向前推一辆自行车，使它的车轮旋转，但实际上没有人骑它或保持它的平衡，自行车仍然可以向前移动并保持直立。它是如何做到的呢？简单的答案是，由于某些复杂的原因，

自行车本身就具有各种功能，当它向右倾斜时，它会向右转向。所以当它向右倾斜时，它会使车轮回到自行车的下方。这太复杂了，我们写了一篇论文，就像一个故事一样，科学家们在大学里工作时会做的事情。他们会写这些叫做论文的东西，它们是给其他科学家讲的故事。基本上，这个故事是，我们认为这太复杂了，没有人会理解。

所以我们努力去理解它，但我们做不到。我们认为没有人会理解它。所以我可以告诉你很多关于它的信息，但基本上，为什么自行车本身会恰好转动正确的角度是一个谜。那是康奈尔大学教授Andy Ruina。这里是《But Why》，一个儿童好奇心播客。我是Jane Lindholm。今天我们学习所有关于自行车的知识。现在我们知道你骑车时自行车是如何保持平衡的了。

但是自行车究竟是如何工作的呢？是什么让车轮旋转？那链条是干什么用的？我们去了一家当地的自行车店，找到了一位专家。我是Kevin Rose，我管理位于佛蒙特州伯灵顿滨水区的Trailside Center for Local Motion。Local Motion是一个推广安全骑行的组织。

事实上，我一直被自行车吸引的一件事是它非常简单。它是已知的最简单、也是最有效的机器之一。就移动物体穿过空间所需的能量而言，没有什么比自行车更有效率的了。自行车……

今天的自行车与一百年前的自行车看起来并没有太大的不同，它们有两个轮子、车架、车把、踏板、曲柄，曲柄连接着所谓的链轮到后轮上的齿轮，骑车人通过旋转曲柄使自行车向前移动，当然我们不能忘记刹车，当你需要停下来的时候。那么它是如何工作的呢？

让我们从想象自行车开始。你坐在座位上，手握车把，你的脚踩在踏板上。你正在转动踏板。踏板连接到所谓的曲柄，曲柄正在转动所谓的链轮，链轮是一个位于前方的带有齿的大齿轮，它通过链条连接到后轮，链条驱动着自行车的后轮。

所以后轮还有另一个齿轮，或者通常会有几个齿轮，这使得你能够在爬坡时踩踏，或者在平地上快速行驶，或者在下坡时快速行驶。所以它允许你改变速度。它是一个前齿轮，也就是踩踏的齿轮，它连接到车轮上的后齿轮，链条连接这两个齿轮并驱动整个系统旋转。

所以当你踩踏时，你正在转动链轮。那是看起来有齿的圆形东西。这些齿移动链条，链条移动后轮。如果你换上前齿轮，你就会换到不同的链轮，这决定了你必须以多快的速度踩踏才能转动车轮。

后轮通常也有一些你可以换进换出的齿轮。当你上下坡时，这些齿轮很有用。但是我们大多数人一开始骑的自行车都没有齿轮。当自行车刚被制造出来的时候，它们甚至更简单。嗯，回到……

在自行车的早期，如果你曾经见过带有非常大的车轮的自行车的图片，它有点像今天的三轮车，踏板直接连接到车轮上。它被称为直驱。为了更快地行驶，你需要一个更大的车轮。换句话说，当你转动车轮一圈时，

一个更大的车轮比一个更小的车轮走得更远。所以如果你想更快地行驶，你的选择就是一辆带有更大车轮的自行车。直到大约130年前，第一辆连接

前方的齿轮到车轮的自行车才被发明出来。它实际上被称为安全自行车。我不知道，也许是因为自行车太高了，那些高轮自行车，安全自行车让你更靠近地面。但是无论如何，链条……

允许你在前面有一个更大的齿轮，在后面有一个更小的齿轮，有效地使车轮的大小与那个大轮自行车相同。所以你不需要一个大车轮，你只需要前面有一个大齿轮驱动后面的一个小齿轮，它就能让你更快地行驶。

Kevin说，他小时候就爱上了自行车，因为它给了他探索自己社区的自由。我希望所有关于自行车的谈话都让你想出去骑车。但也许你还不懂，或者你还在学习。每个人都必须从某个地方开始，即使是世界上最好的骑车手也是如此。Leah Davison是一位职业山地自行车运动员，她曾代表美国参加了两届奥运会。

她过来向我展示了如何最好地骑上自行车并开始骑行而不会摔倒。

所以你必须把你的腿甩过鞍座。然后你就这样，自行车是，你站在上面，你像跨坐在自行车上。鞍座就是我们许多人所说的座位。是的，座位，没错。然后你想确保开始骑行，这样你就可以在……之前开始骑行，你不想摔倒。所以你把一个踏板抬到我们所说的动力踏板位置。所以如果你的踏板像扶手一样，

时钟的指针。一个踏板会在12点或1点的位置。然后你把你的脚放在上面，你想向下用力踩，这样当你骑行时就会有动量和速度。

然后你做什么？然后你坐在座位上，或者站立在我们所说的下坡攻击姿势。你从鞍座上站起来，弯曲你的肘部和膝盖，并将你的踏板与地面平行。所以再次使用时钟的参考，如果你的踏板是……

时钟的指针，它们会在3点和9点的位置。这样你的踏板就不会碰到任何树根或岩石，你可以安全地越过障碍物。所以你基本上像在地面上一样站立，你的脚差不多在同一个位置。没错，没错。这是下坡或越过障碍物的最佳方式。如果你在爬坡，你可以坐着，你基本上只是用力踩踏板。

当你爬坡时，你如何换挡才能使爬坡效率最高？是的，在爬坡之前，你想确保换到一个更轻松的档位，或者可能是你最轻松的档位，这样你就不会爬到一半就无法再踩踏了。防护措施呢？你应该始终戴头盔。始终，始终戴头盔。即使你骑自行车，以每小时10英尺的速度踩踏，你也应该戴头盔。

我只是喜欢待在户外。当你骑山地车时，你可以骑着单轨小路在树林里骑行。这是待在户外的最佳方式。而且当你骑自行车时，你可以看到很多东西。所以你可以比跑步走得更远，而且你可以骑得很快。这就是为什么我喜欢山地自行车的原因。

有些人害怕，像我一样，有点害怕在自行车上快速下坡，越过树根和岩石。你如何克服这种恐惧？我认为这需要一个循序渐进的过程。所以你慢慢地适应它。所以你从……开始，从人行道的路沿上下来，或者你从越过一块小石头开始，然后你逐渐适应更大的石头、更大的树根。所以你不需要一次性完成所有事情。你只需要慢慢适应它。

参加奥运会是什么感觉？奥运会就是人们所说的那样，甚至更好。所以它真的是。我的意思是，这听起来很老套，但这确实是一个梦想成真。而且

关于奥运会的一切都是如此令人难以置信的经历，从在奥运村结识不同的运动员开始。你永远不知道谁会走进美国队住房的电梯。可能是迈克尔·菲尔普斯。可能是米西·弗兰克林，任何人。仅仅是得到你整个家乡或佛蒙特州的支持，并代表你的国家，这真的是……

大多数人都没有机会体验的事情，这是一件令人难以置信的事情。很多孩子都想成为职业运动员，也许是因为我想进入NBA，或者我想成为一名职业棒球运动员，或者我想参加奥运会。你需要这种动力才能实现它。但是我们生活中也有很多成年人会说，“哦，那是一个不错的梦想，亲爱的，但你为什么不把目标定得更实际一些呢？”但是

但是你已经做到了。那么，你对那些五岁、八岁或十岁的孩子有什么建议呢？他们说，“不，这就是我想做的事情。我想成为一名运动员，我想实现它。”是的。你可以做到。你知道，我的建议是，我也是那个梦想参加奥运会的孩子。当我还是个孩子的时候，我认为这将通过高山滑雪比赛实现。所以。

这需要付出很多努力。你只需要努力工作。但是你可以把你的心思放在任何你想做的事情上。那是Leah Davison。她两次参加了奥运会。她仍然在自行车运动中担任教练和评论员。她和她的姐姐一起创办了一个非常酷的组织，叫做Little Bellas，教女孩们如何骑山地车。

今天的节目就到这里。感谢我们节目的所有嘉宾。我希望你们现在对自行车、如何骑自行车以及它们的工作原理有了更多的了解。如果你对虫子、自行车、拥抱、远足或其他任何事情（押韵与否）有疑问，请告诉我们。让一位成年人帮助你在智能手机上录制你的问题。告诉我们你的名字、年龄和居住地。对于正在收听的成年人，尽量不要在车里录制你的孩子。如果可能的话，我们喜欢安静的环境。

然后将问题发送到[email protected]。我们无法回答我们收到的所有问题，但我们喜欢听到你们的来信，了解你们的想法，这可以帮助我们塑造未来的节目。《But Why》由佛蒙特公共广播电台的Melody Beaudet和我Jane Lindholm制作。我们的参与制作人是Kiana Haskin。我们由PRX发行，Luke Reynolds创作了我们的主题音乐。两周后我们将推出一个全新的节目。在那之前，保持好奇心。

来自PR。