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善待你的自行车，因为你可能比它更需要你。
一旦滚动起来，自行车就可以自行前进——无需骑车人——这要归功于一种称为自稳定性的特性。如果自行车开始倾倒，它的前轮会转向倾倒的方向，使自行车恢复平衡，就像骑车人在车把后方所做的那样。当然，当自行车静止时，这种稳定性就消失了——自行车有一个有限的自稳定速度范围，在这个范围内，即使被侧向撞击，它们也能够恢复平衡 [请看下面的第一个视频]。
关于自行车如何工作——以及是什么导致自稳定性——的问题，自 19 世纪以来就一直存在。多年来，已经出现了两个主要因素来解释无人自行车的平衡行为。一个是旋转前轮的陀螺运动；另一个是称为“前伸距”（trail）的设计特征，即自行车转向轴的位置，使得该轴与地面相交的点位于前轮与地面接触点的前方。这两个特征都起到将自行车的转向与其倾斜耦合的作用——如果自行车向右倾斜，它将向右转向——使其能够转向倾倒的方向并保持直立。
但事实证明，对于自稳定的自行车来说，这两个因素并非必要。在 4 月 15 日出版的《科学》杂志上，来自荷兰和美国的一个研究团队描述了一种实验性自行车，尽管它既没有前伸距也没有陀螺轮，但仍表现出自稳定性。“即使这两个效应很重要，它们也不是必要的，”研究合著者、康奈尔大学机械工程教授 安迪·鲁伊纳 说。“就像巧克力蛋糕对美好的生日晚餐很重要一样，它也不是必要的。”
鲁伊纳和他的同事们表示，这项演示表明，许多参数都有助于自行车的稳定性，并且比通常认为的更奇特的自行车设计可能出人意料地稳定。这一发现也强调了自行车实际上是多么复杂的机器，以及它们动力学的理论基础是多么不完善。
“每个人都会骑自行车，但很少有人能描述其原理，”研究合著者、荷兰代尔夫特理工大学机械工程教授 阿伦德·施瓦布 说。
“在过去一个世纪里，自行车一直是一个令人困惑的话题，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械工程荣誉教授 理查德·克莱因 说，他没有参与这项新研究。“它有太多的悖论、谜团和挑战。”
其中一个挑战，即解释自稳定性，甚至吸引了 20 世纪早期著名的德国研究人员费利克斯·克莱因和阿诺德·索末菲尔德的注意。克莱因和索末菲尔德提出了陀螺前轮的角动量保持自行车稳定的理论。
前伸距的重要性由英国化学家大卫·琼斯阐明，他在 1970 年在《今日物理》中叙述了他制造一辆无法骑行的自行车的努力。在他的实验中，琼斯发现了将转向轴放置在使其指向前轮接触地面位置前方的意义，并制造了一辆前轮向前延伸四英寸的自行车来证明他的发现。琼斯报告说，当这辆自行车“以高速释放时，令人满意地撞到地面上”。
施瓦布说，在进行这项研究之前，他不会认为没有陀螺扭矩或前伸距的自行车有可能表现出自稳定性。“一百万年也不会，”他说。“在做这项研究之前，我还在说，这是陀螺效应和前伸距的作用。”但是，通过研究描述自行车运动的复杂数学方程式，研究人员发现了实现自稳定性的另一条途径。该小组设计并制造了一辆原型自行车（它的小轮子和没有座位的事实实际上更像儿童滑板车而不是自行车），其质量分布使其能够以恰到好处的方式向倾斜方向转向，从而稳定自行车。
自行车的车头，包括转向轴，相对于地面具有比车尾更低的质心，因此车头比车尾下落得更快，就像直立的铅笔比长扫帚下落得更快一样。自行车的车头质量集中在转向轴的前方，因此当自行车的车头开始下落时，它会根据需要将自行车转向倾倒的方向，以稳定整个装置。
研究人员通过在自行车上安装一套向后旋转的匹配轮组来确保车轮的陀螺扭矩被抵消，从而抵消了向前旋转的车轮的角动量。前伸距效应的消除仅仅是通过将实验性自行车设计成使其转向轴与地面的交点位于前轮接触点之后。
这两个因素确实是使滚动自行车具有自稳定性的主要贡献者，并且曾经被认为是自行车自校正所必需的。“有人说它们中的每一个都是必不可少的，”加州大学戴维斯分校机械与航空工程教授 蒙特·哈伯德 说，他没有参与这项研究。“但它们不是。”
“人们通常会认为，如果你没有它们，你就什么都没有了，”克莱因说。“自行车将无法保持直立。”
在没有陀螺效应或前伸距效应的情况下展示自稳定性并不意味着今天的自行车存在缺陷。自行车是高度进化的机器，通过战略性的、渐进式的进步——以及试错法——在几十年中不断改进，因此对稳定性的新见解不太可能取代已建立的自行车设计标准。“如果你看看他们制造的自行车，它确实是自行车，是的，但我不认为它为我们带来了任何关于如何制造比我们现在拥有的自行车更好的自行车的设计建议，”哈伯德说。
克莱因自己的研究侧重于自行车技术的应用，他质疑这些发现是否会对现实生活中的设计产生影响。“他们所做的是一项了不起的工作，”他说。“如果我是一个投资者，我会把钱投到他们的公司吗？不会。”
“我们并不是声称这台看起来很疯狂的机器本身很有用，”鲁伊纳说。“这只是为了证明一个观点。”尽管如此，质量分布可能在标准设计领域之外的更好的自行车设计中发挥作用，例如折叠自行车或躺卧式自行车。小轮自行车，陀螺扭矩在其中被最小化，可能特别适合提高稳定性。“它给你一种新的思考设计可能性方式，”鲁伊纳说。“情况更加复杂——还有其他设计参数会对稳定性产生影响。”
但是，关于是什么导致无人自行车自行保持平衡的长期问题尚未得到解答——至少没有以一种清晰的方式解答。研究人员指出，他们没有发现任何对于自稳定性来说是必要的直接属性组合。
对于施瓦布来说，经过多年的研究以及与合著者无数次的国际 Skype 聊天，仅仅为大多数人认为理所当然的事物增加一个新的方面就令人欣慰。“每次我提出这个话题，我都会遇到同样的问题。每个人都耸耸肩说，‘我们有自行车，我们知道如何骑自行车，’”他说。“我现在仍然要与之抗争：‘关于自行车有什么新鲜事吗？’”现在，他说，他将有一些东西可以告诉他们了。