ในตอนนี้ วิทยาศาสตร์ยังให้คำตอบที่แน่ชัดไม่ได้ แต่มันใกล้เข้ามาแล้ว…
ปั่นจักรยาน. มันเหมือนกับการขี่จักรยานใช่ไหม? ไม่ใช่ถ้าคุณเป็นศาสตราจารย์ Andy Ruina แห่งมหาวิทยาลัยคอร์เนล
เขาพร้อมด้วยผู้เขียนร่วม Jim Papadopoulos, Arend Schwab, Jodi Kooijman และ Jaap Meijaard ได้เขียนบทความเรื่อง A Bicycle Can Be Self-Stable Without Gyroscopic หรือ Castor Effects ที่เสนอเงื่อนไขที่อ้างถึงก่อนหน้านี้เพื่อความเสถียรไม่ อธิบายอย่างเพียงพอ – และไม่จำเป็นสำหรับ – ปรากฏการณ์ของจักรยานที่มีความเสถียรในตัวเอง
‘การที่ผู้คนสามารถอยู่บนจักรยานได้นั้นเป็นเรื่องที่น่าทึ่งมาก แต่สิ่งที่น่าทึ่งที่สุดอย่างหนึ่งเกี่ยวกับจักรยานก็คือจักรยานสามารถทรงตัวได้’ Ruina กล่าว
ยกตัวอย่างฉากที่โด่งดังในภาพยนตร์เรื่อง Jour de Fête ของ Jacques Tati ในปี 1949 ที่บุรุษไปรษณีย์จอมป่วน François ไล่ตามม้าที่วิ่งหนีของเขาขณะที่ขับไปตามถนนในชนบทโดยไร้คนขับ Ruina และเพื่อนนักวิทยาศาสตร์ของเขาเริ่มสำรวจภูมิปัญญาดั้งเดิมที่ เงื่อนไขที่จำเป็นสองประการสำหรับจักรยานที่ยืนตรงคือแรงบิดแบบไจโรสโคปิกของการหมุนของล้อหรือทางล้อของล้อหน้า
‘คุณสามารถตั้งจักรยานให้ตั้งตรงได้เมื่อเคลื่อนที่เท่านั้น’ Ruina กล่าว 'สิ่งที่ทราบกันดีก็คือการบังคับเลี้ยวทำให้คุณมีความสมดุล เราสามารถแสดงสิ่งนี้ได้หากเราล็อคพวงมาลัยบนจักรยานยนต์ไร้คนขับ ดันเข้าไป แล้วปล่อยมันไป จักรยานจะตกลงมาอย่างรวดเร็วในลักษณะเดียวกับที่จักรยานจอดนิ่ง’
Ruina เปรียบเสมือนการทรงตัวของไม้กวาดในมือ เมื่อไม้กวาดแนวตั้งเริ่มเอนไปทางซ้าย บาลานเซอร์จะขยับมือไปทางซ้ายด้วย โดยนำส่วนล่างของไม้กวาดกลับมาอยู่ใต้ยอดที่ตกลงมา ซึ่งจะทำให้สมดุลกลับคืนมาแต่การเอาคนขี่ออกจากสมการ ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้นกับจักรยาน?
‘ผู้คนมักคิดว่าหากมีสิ่งใดหมุนเร็ว มันจะแข็งตัวเนื่องจากเอฟเฟกต์ไจโรสโคปิก ดังนั้นเมื่อคุณหมุนมัน มันต้องการที่จะหันไปทางอื่น นั่นเป็นคำอธิบายทั่วไปอย่างหนึ่ง อีกอย่างคือจักรยานมีพฤติกรรมเหมือนล้อเลื่อนบนรถเข็นช็อปปิ้ง
จุดติดต่อ
คนคิดว่าจุดสัมผัสพื้นจริงของล้อหน้าอยู่หน้าแกนพวงมาลัยเพราะมุมของหัวและคราดส้อม แต่จริงๆ แล้วล้อจะสัมผัสกับพื้นด้านหลังแกนนี้'
ผลลัพธ์ก็คือ เช่นเดียวกับลูกล้อที่สามารถเคลื่อนที่ได้ 360° รอบแกนตั้ง (ลองนึกภาพชุดหูฟังของคุณเป็นลูกปืนล้อเลื่อนและดุมล้อของคุณคือเพลา) ล้อหน้าของคุณจะ 'ตาม' แฮนด์บาร์ของคุณ เช่นเดียวกับรถเข็นช็อปปิ้ง ดันจักรยานของคุณไปข้างหน้าและล้อหน้าจำเป็นต้องสอดเข้าไปและตามหลังทิศทางของการเดินทาง
อย่างไรก็ตาม การคำนวณของนักวิจัยพบว่าทั้งเอฟเฟกต์ไจโรสโคปิกหรือลูกล้อไม่ได้มีส่วนรับผิดชอบต่อความโน้มเอียงของจักรยานในการบังคับทิศทางและเสถียรภาพในตัวเอง
เพื่อพิสูจน์สิ่งนี้ รุอินะและทีมของเขาได้สร้างสิ่งที่พวกเขาเรียกว่า 'Two Mass Skate' (TMS) เมื่อมองดูคล้ายกับสกู๊ตเตอร์แบบพับได้ TMS มีคุณสมบัติเหมือนกับจักรยานยนต์ – สองล้อและส่วนหน้าและส่วนหลังที่เชื่อมต่อกันด้วยบานพับ (เช่น ชุดหูฟัง) – แต่มันถูกสร้างขึ้นมาในลักษณะที่ไม่ มีแนวโน้มที่จะเกิดไจโรสโคปิกหรือละหุ่ง
เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ ล้อขนาดเล็กสองล้อจะสัมผัสพื้น โดยแต่ละล้อสัมผัสกันและด้วยเหตุนี้ล้อที่หมุนสวนทางกันซึ่งมีมวลเท่ากันอยู่ด้านบน ซึ่งจะยกเลิกเอฟเฟกต์ไจโรสโคปิกที่มีการเคลื่อนไหวตรงข้ามกัน (ล้อของ TMS ทำหน้าที่เหมือนรองเท้าสเก็ตมากกว่า). และจุดสัมผัสของล้อหน้าจะอยู่ข้างหน้าแกนบังคับเลี้ยว ไม่ใช่ด้านหลังเหมือนลูกล้อ
เมื่อผลักและปล่อย 'จักรยาน' ที่ไม่มีล้อเลื่อนและไร้ร่องรอยคันนี้จะตั้งตรง แม้กระทั่งแก้ไขตัวเองเมื่อถูกกระแทกจากด้านข้าง
สิ่งนี้พิสูจน์ให้เห็นว่าสิ่งอื่นนอกเหนือจากเอฟเฟกต์ไจโรสโคปิกหรือลูกล้อต้องรับผิดชอบต่อแนวโน้มของจักรยานที่จะรักษาเสถียรภาพในตัวเองโดยการบังคับเลี้ยวภายใต้ตัวมันเองในการอธิบายเรื่องนี้ นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าการกระจายมวล โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ชุดพวงมาลัยเป็นกุญแจสำคัญ
ย้อนกลับไปที่ตัวอย่างไม้กวาด Ruina แนะนำว่า 'TMS มีมวลที่อยู่ข้างหน้าของแกนบังคับเลี้ยวเช่นเดียวกับมวลในเฟรม ตอนหน้าจักรยานตกลงมา มันจะตกเร็วขึ้น เหมือนกับว่าถ้าถือดินสอในมือ มันจะตกลงเร็วกว่าไม้กวาด
มวลด้านหน้าลดลงเร็วกว่ามวลด้านหลัง แต่เชื่อมต่อกันด้วยแกนบังคับเลี้ยว ดังนั้นในความพยายามที่จะล้มเร็วขึ้น ส่วนหน้าจะทำให้เกิดการบังคับเลี้ยวและทำให้จักรยานกลับอยู่ใต้ตัวมันเอง’
Ruina ชี้ให้เห็นว่าสิ่งนี้ยังไม่สามารถแก้ปัญหาความเสถียรของจักรยานได้ อย่างน้อยก็เพราะมันเกี่ยวข้องกับจักรยานที่ไม่มีผู้ขี่ แต่สิ่งที่ทำคือตั้งคำถามใหม่ๆ เกี่ยวกับวิธีที่เรายืนตัวตรงบนจักรยาน ซึ่งอาจส่งผลให้การออกแบบขั้นพื้นฐานเปลี่ยนแปลงไปสักวันหนึ่ง
ตามที่นักวิจัยวางไว้: 'ผลลัพธ์เหล่านี้บ่งชี้ว่ากระบวนการวิวัฒนาการที่นำไปสู่การออกแบบจักรยานในปัจจุบันทั่วไปอาจยังไม่ได้สำรวจพื้นที่ที่อาจมีประโยชน์ในพื้นที่ออกแบบ' ดังนั้นที่นั่น