自人類誕生起，探索世界的欲望就從未停歇。為了更深入地了解世界，人類創造出眾多先進的交通工具，如汽車、自由車、火車、飛機和火箭等。這些工具的發明極大地便利了人類的出行，其中，自由車的影響尤為深遠。作為近代社會最常用的交通工具之一，自由車不僅是人類最成功的人力機械之一，還在1790年由法國科學家首次亮相，他們以木馬為基礎，加裝兩個輪子，使騎行者能夠透過腳蹬地前進，當時這種裝置被稱為木馬輪。隨後，在1816年，德國的馮德賴斯男爵設計出有車把可控制方向的木輪車，並於1818年獲得專利，標誌著自由車發展的又一重要裏程碑。
1861年，法國米肖父子創造出前輪大後輪小、配備曲柄和可轉動踏板的自由車，後在1867年巴黎博覽會上展出。1886年，英國工程師改進了自由車設計，加入前叉和車閘，使前後輪大小相同以維持平衡，並采用鋼管構建菱形車架，奠定了現代自由車的基本形態。如今，自由車已成為普遍使用的交通工具，種類繁多，包括山地車、普通自由車、死飛車、小輪車、旅行自由車和折疊自由車等，以滿足不同人群的需求。
雖然現今許多人都能嫻熟地騎行自由車，但你是否曾好奇，為何自由車能保持平衡？這個問題同樣引發了科學家們的濃厚興趣。他們拆解、組裝自由車，深入探索其平衡機制。1897年，法國科學院為自由車穩定行駛的問題設立了高額獎金的獎項，吸引了眾多科學家前來挑戰。然而，這些挑戰者最終都未能成功。有科學家提出，自由車保持平衡的關鍵在於慣性，這一理論可追溯至伽利略，並由牛頓進一步發展，奠定了經典物理學的基礎。
科學家指出，物體保持靜止或勻速直線運動的特性稱為慣性，它是物體的固有內容。慣性定律，即牛頓第一定律，被視為物理學的基礎原理。然而，19世紀的馬赫對此持不同看法，他認為慣性並非物體自身特性，而是宇宙中其他物質作用的結果。在非慣性系中，物體所受的慣性力並非虛構，而是重力的體現，是宇宙中其他物質對其的綜合作用。至於重力，它是宇宙中物體間相互吸引的力。
牛頓，著名的物理學家，他堅信重力和時間無關，是一種超距作用，即時完成。同時，他認為空間和時間也是獨立的實體，均為剛性，對所有人都是一致的，這就是所謂的牛頓絕對時空觀。然而，愛因史坦的出現帶來了新的觀念。他提出了狹義相對論，將時空與空間相結合，指出時間的流逝和空間的長度會因物體的運動而發生變化，這被稱為鐘慢效應和尺縮效應。接著，他又提出了廣義相對論，進一步提出慣性力適用於平直的四維時空，而重力的存在則會使四維時空發生彎曲。
牛頓和愛因史坦均被譽為人類歷史上傑出的科學家，但他們在重力理論上的理解各異。簡而言之，愛因史坦認為物質影響時空的彎曲，而時空則決定物質的運動方式。然而，科學家們透過多次實驗發現，在接近光速的條件下，牛頓的萬有重力定律無法精確解釋物體的運動，而愛因史坦的相對論則能在此情境下提供準確的解釋。因此，兩者各有其獨特之處，各有適用場景。
慣性是物質在時空中的持續運動的表現，它揭示了物質的存在方式。物質因此具有慣性，那麽自由車能否僅憑慣性保持平衡呢？慣性確實存在於靜止的物體中，但觀察靜止的自由車，若不放下支架，它會傾倒。因此，許多科學家提出，自由車保持平衡不僅依賴慣性，還有陀螺效應的作用。許多人小時候都玩過陀螺，它的旋轉即使在受到外力時也能維持旋轉軸的方向。這種效應在旋轉的自由車車輪中同樣存在。
當我們騎行自由車時，車輪的旋轉會產生陀螺效應，幫助維持自由車的穩定性。隨著車輪轉速的增加，自由車會變得更加穩定，這也是為何高速騎行時更易於保持平衡的原因。然而，僅憑陀螺效應並不足以確保自由車始終穩定，沒有人的操控，自由車仍會摔倒。科學家推測，除了陀螺效應，還存在離心力效應。離心力是指任何有品質的物體在運動中受到的力，與地球的重力相反。根據牛頓的萬有重力定律，物體的品質越大，其重力也越大。
在太陽系中，太陽的品質占據絕對優勢，達到了太陽系總品質的99.86%，而八大行星和其他物質僅占0.14%。這種巨大的品質差距使得太陽擁有強大的重力，牽引著行星和其他物質向其靠攏。然而，為了避免被太陽吞噬，這些行星和其他物質必須進行自轉和公轉，以產生離心力來與太陽的重力相抗衡。這種平衡狀態使得八大行星能夠穩定地圍繞太陽執行。與此類似，自由車的行進也與離心力密切相關。
當自由車傾斜時，騎車者會轉向同一側的前輪，使自由車沿傾斜方向的圓周運動。這時，離心力作用將自由車扶正。1948年，鐵木辛科和楊在【高等動力學】中闡述了這一離心力效應。然而，許多人認為，自由車的平衡不僅由離心力決定，騎車者的技術也至關重要。技術嫻熟的騎車者能更好地掌握平衡，使自由車穩定行駛。而平衡感差的人則可能騎車摔倒。
科學家們對自由車平衡原理進行了深入研究，提出了多重效應疊加的觀點。2011年，【科學】雜誌發表了一篇論文，介紹了一款無陀螺和腳輪效應的自由車。測試表明，自由車重量分布對其穩定性至關重要，尤其是前輪的影響最大。盡管自由車對我們來說很普通，但對科學家而言，它隱藏著眾多秘密。科學家們一直在探索自由車平衡的秘密，努力揭開其背後的科學原理。
盡管主流觀點解釋了自由車保持平衡的原理，仍有人持不同看法。他們認為，自由車車把手與前車輪之間的垂直夾角是關鍵因素。這一夾角減少了自由車傾倒的可能性，而這與自由車的前後重心分布有關。特別是，自由車後輪的多個裝置增加了其後部的重量，使重心下移。當前輪出現傾倒趨勢時，這種夾角的作用在後輪上表現得尤為明顯。雖然科學家提出了多種理論，但尚無一個能全面解釋自由車平衡之謎。
在這個世界上，人類對於物理的認知仍然存在著盲區，這是不可避免的。自從人類誕生以來，我們就一直在探索世界的奧秘，從哲學到科學，從哥白尼的日心說到霍金的理論，科學家們為人類的科技發展做出了巨大的貢獻。但是，盡管我們已經取得了許多成就，對於世界的認知仍然有限。相對論和量子力學雖然是人類物理學的兩大支柱，但並不意味著我們已經完全掌握了世界的奧秘。事實上，我們距離真正的理解還有很多的路要走，物理學的漏洞仍然存在。因此，我們需要繼續探索，不斷推動科技的發展，以更好地認識這個世界。
盡管科學家一直在努力，但相對論和量子力學仍未能完美結合。宇宙中存在四大基本作用力：重力、強交互作用力、弱交互作用力和電磁力。量子力學能完美詮釋後三者，但對重力束手無策，這需要經典力學和相對論的協助。然而，經典力學和相對論又無法解釋前三種力。理論上，宏觀和微觀世界應是一致的，微觀粒子的集合構成了我們眼中的宏觀世界，但兩者的解釋體系仍顯割裂。
微觀與宏觀世界理論上應可共用一套理論框架，但現有物理學尚未實作，說明其仍有待完善。人類目前僅觸及部份物理知識，宇宙中還有許多未知奧秘。然而，人類作為地球上最具智慧的生物，科技持續進步，未來或許能揭開自由車行駛原理等更多奧秘。期待這一天的到來，對此，各位有何看法？
