这些生活中常见的东西,居然是科学未解之谜?

尽管自行车、玻璃和冰,都是生活中很常见的东西,但是你可能想不到的是,科学家并没有完全理解它们 。 通过下面的讨论,你将会发现,现实远比我们想象的要复杂得多 。
为什么自行车在行驶中不会倒下?

这些生活中常见的东西,居然是科学未解之谜?

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2011年,一个国际研究小组突然“投下一颗重磅炸弹”,声称尽管已经分析了150多年,但世界上还没有人真正弄懂为什么自行车在行驶中不会倒下 。 估计世界上许多自行车骑手听到这个消息后会立刻下车,并不可思议地盯着他们的自行车——多年来他们一直在做的事情,竟然是一件科学无法解释的现象!
不过准确地来说,科学家不知道的是,能使自行车保持稳定的最简单的充分必要条件是什么 。 自行车的研制,主要依靠的是不断试验,使自行车在行驶中更不易倒下 。 但是要想解释背后的原理就比较麻烦了 。 研究人员开始发现,要想解释自行车是如何工作的,数学上需要大约25个变量,例如自行车的前叉相对于路面的角度,质量的分布以及车轮的大小等等 。
之后,研究人员把自行车保持稳定的条件变量简化为两个:一个叫“迹”的大小,指的是前轮触地的位置到前叉延长线与地面相交的位置之间的距离;另一个则是可以保持旋转的车轮直立的陀螺恢复力(一种令旋转物体恢复平衡的力,陀螺最为典型,故以陀螺命名) 。
不过在2011年,那个国际研究小组不仅对这个理论重新分析了一遍,而且还把一辆自行车中的“迹”和陀螺恢复力弄歪,使得它在理论上无法保持稳定 。 但结果令人大感意外,这辆自行车在行驶中仍可以稳定地前行 。
虽然这个问题没有得到解决,但是在2014年,来自美国康奈尔大学的研究人员已经发明出了一种无论怎么倾斜也不会倒下的车子 。 他们的发明看起来像是自行车与三轮车的合体,而外侧的两个车轮由一个弹簧来调节 。 如果弹簧完全松开,它跟普通自行车没什么区别,骑手可以通过倾斜和扭转车把来操控 。 如果弹簧完全绷紧,它就成了一辆三轮车,骑手只能通过扭转车把来操控 。 而当弹簧处在某个中间的临界点时,这辆车不管怎么倾斜也都倒不了,而且倾斜也不会影响车子的运动情况 。 另外,骑手试图扭转车把来转向时,却只会造成车子发生倾斜 。 结果是完全无法操控这辆车子,它只能沿着直线行驶 。 研究人员希望借此研究出骑手究竟是如何操控自行车并保存稳定的,并能研制出更易操控的自行车 。
但这仍是一场艰难的研究 。 一些研究人员认为,要想理解自行车为什么不倒,不只是要考虑力学问题,也许还要考虑脑科学 。 人类能用很复杂的但却很直观的方式使得自行车保持稳定 。 例如在非常低的速度下,我们很容易就意识到,扭转车把没多大用处,相反我们会通过膝盖运动来操控自行车 。
我们为什么会这么做?没人知道 。 自行车的谜团将会继续困扰我们 。
玻璃是什么?
如果你去欧洲参观那些古老的大教堂的话,导游们常常会向你兜售这种观点:玻璃其实是液体,会慢慢地往下流,所以这些古老教堂上的玻璃都是上薄下厚的 。
但这个观点是错的 。 玻璃并不是一种流动很缓慢的液体 。 研究表明,即使经过十几亿年,一块玻璃里也只不过是几个原子会发生移动 。 那么上薄下厚是怎么回事?事实上,中世纪的玻璃制造工艺还比较粗糙,没办法制造出厚度均匀的玻璃,于是工匠们会把玻璃厚的一边放在底部 。
所以,玻璃就是固体了?对,但它却是一种极为特殊的固体 。 玻璃是一种无定形固体,或者叫做非晶态固体,因为它的微观结构不像晶体固体(例如金属、食盐和冰)那样是有规则的晶格排列,而是一种类似液体那样的不规则排列 。 另外,很多高分子化合物如聚苯乙烯等也是无定形固体 。

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