骑自行车的科学

作为人力驱动器械的典范，自行车凭借其近乎完美的肌肉能量转化效率在交通工具中独树一帜。《骑自行车的科学》一书深入阐述了自行车的悠久历史、人类的改良历程、提升与阻碍速度的因素等话题，旨在探索自行车如何更好地贴合人体工学，确保骑行安全稳定，同时也最好地提升速度与舒适度。 本书在概览自行车及骑行历史、破除诸多流传误区的基础上，融入了人力交通领域的最新实验成果与研究进展，更新了有关自行车的成就、陆海空人力器械应用、电动自行车技术及人体生理学相关知识。此外，作者新增了空气动力学、滚动阻力、动力传递效率（从骑手至车轮）、制动系统、热量管理、操控稳定性、功率输出与速度等关键领域的深度解析，并辅以丰富的最新参考资料与图表，为读者提供了全面的信息支持。

作者： ［美］戴维·戈登·威尔逊（David Gordon Wilson，1928—2019）：麻省理工学院机械工程荣誉教授。他是一位多产的发明家，是公认的人力交通和自行车设计权威，号称“现代躺式自行车之父”。其设计的Avatar 2000自行车在1982年国际人力驱动车辆协会上打破了速度纪录。 ［瑞士］特奥多尔·施密特（Theodor Schmidt，1954— ）：瑞士工程顾问。研究方向为太阳能和人力，曾与戴维·戈登·威尔逊合作过多个相关项目。曾任《人力》杂志编辑，现为《人力》电子期刊编辑。 译者： 岳娇慧，文学硕士，太原理工大学文法与外语学院教师，奥克兰大学、北京外国语大学访问学者。长期从事翻译学与语料库语言学等领域的研究。与他人合译出版有《自行车设计200年》。 翟颖，太原理工大学外国语学院教师，曾参与多部省部级教材的编写。长期从事翻译理论研究，进行科技翻译与文化外译等方面的探索研究工作。与他人合译出版有《自行车设计200年》。

第一章 自行车骑行简史 引　言 正如乔治·桑塔亚纳（George Santayana）所说，“那些不了解历史的人，事实上，注定要重蹈覆辙”。尽管如此，人们仍花大量时间重复发明各种自行车及其部件。这一必要的简史的一个目的在于使有意成为发明家的人们了解前人。艾萨克·牛顿爵士（Sir Isaac Newton）曾说：“如果说我们看得比别人更远些，那是因为站在巨人的肩膀上。”但要做到这一点，我们必须首先知道巨人的存在以及他们所取得的成就。另一个目的在于消除对于自行车的不实传言。人们虚构这些传言可能是出于不法或自私或幽默的目的，例如，传言莱昂纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）或者他的一个弟子曾发明了链传动自行车。这些传言迅速被当时的记者以及爱好者们所接受，继而迅速成为某种学问，尽管这些传言都是错误的。历史学家不断地谴责这些谬误，但是那些业余的历史学家仍然宣扬着这些错误的观点，就好像它们是真的一样。这些人似乎践行着民主的最初级形式：如果他们在十本出版物里读到了一些内容，而在一本中读到了与之相反的内容，那么他们就会认为被报道得多的一定是真的。 我们现已成为一个自行车历史学家组织的成员，这一组织（包括其学术文集和学术会议）有着强大的国际影响力。已故的组织创始人德里克·罗伯茨（Derek Roberts）给每一本包含自行车历史的新书都写了更正纪要，以指出那些细节上的不实之处。在已故的该组织的杰出成员，也是自行车历史书籍的出版商约翰·平克顿（John Pinkerton）的鼓励下，罗伯茨将这些错误和更正收集在一起，并出版了《自行车历史：谬误与质疑》（1991），进一步试图阻止错误历史版本的浪潮。在这一版简史中，我们将尽力消除之前的谬见，并且将尽自己最大的努力不去创造一些新的出来。我们受到了罗伯茨、平克顿和汉斯—埃哈德·莱辛（Hans-Erhard Lessing）的亲切指导。莱辛是一位著名的自行车历史学家、前策展人，也是一位大学教授，他自己记录了几个此前被认为是历史事实的主要的自行车谬误（其中一些在本章后面会引用到）。这一组织中其他给予作者特别帮助的有尼克·克莱顿（Nick Clayton）和戴维·赫利希（David Herlihy）。自行车历史学家在许多专业方面都远未达成一致：自行车历史是一个各自持有观点并被强烈捍卫的领域，任何业余人士都必须小心行事；我们非常感谢这一组织的建议，尽管它们有时并不一致。 自行车运动的历史上有三个重要的时期，本章将对每个时期进行详细的介绍。尽管人们对早期两轮车有着各种误解，事实上第一辆自行车（是骑车人跨坐在上面并用双脚推动地面的一台“会跑的机器”）于1817年在德国发明，这标志着自行车和机动车历史的开端。第一辆自行车在许多国家都很受欢迎，但随后在曼海姆（1817年底）、米兰（1818）、伦敦、费城、纽约（1819）和加尔各答（1820）被当局压制，以至于到1821年它几乎消失了（莱辛，2017）。然而，莱辛（2017）记录了1829年4月在慕尼黑举行的26辆自行车参加的“会跑的机器”比赛。包括平克顿在内的其他人则认为，这种机器只不过是富人们的一时狂热，而这种狂热总会来去匆匆。直到19世纪60年代早期，法国人给它的前轮增加了曲柄和脚蹬，这时国际上对自行车的热情重新高涨起来。如果我们把现代自行车定义为一种有两个轮子直线排列并由车身连接，骑行者可以坐在车身上，脚踩踏板，控制驾驶方向以便保持平衡的交通工具，那么这辆法国自行车就是其历史的开端。这一狂热持续时间远长于1817—1821年这几年。因前轮越来越大，高轮自行车或“普通”自行车就此诞生了。尽管资深的高轮自行车骑手平克顿认为所谓的危险被过分夸大了，但这种车确实危险。设计者和发明家多年来一直试图发明一种更安全的自行车。随着所谓的安全自行车而来的是巨大成功：1878年“非凡自行车”（Xtraordinary）和“灵巧自行车”（Facile）诞生，之后1885年约翰·肯普·斯塔利（John Kemp Starley）的安全自行车取得巨大商业成功，随着1888年邓洛普充气轮胎的改造，该车至1890年就变得与现在的安全自行车极为相似。 以上是自行车简史三个主要的发展阶段。同时本章还谈及三轮车时期、人们对躺式自行车不断的热情以及一些现代的发展。 早期历史 人类通过使用工具把自己与动物区分开来。广义来讲，工具可能是简单如用作锤子的一块石头，也可能是复杂像用来操控太空飞船的一台电脑。这里关注的是历史范围内和机械范围内有关自行车的工具。自行车几乎是众多人力机械中唯一接近最佳方式来利用人体肌肉的。纵观历史上人力的滥用（威尔逊，1977），自行车无疑是多少人辛苦努力结束这种苦差后的一个辉煌的顶点。 许多船只，甚至大型船只，直到17世纪都是靠人力运行的。罗马战船上有多达三层的数以百计的桨。图1.1是一艘17世纪有54只桨的大型战船，每只桨由五人控制。这些人可能是罪犯（事实或者假想），被铁链锁在长凳上。配备着鞭子的监工在中间的过道巡查着，谁不卖力做事就严加拷打。这些不幸的桨手的肌肉运动在古时被认为是典型的恰当动作。手、臂和背部的肌肉被充分利用，而人体最大的肌肉群——腿部肌肉，仅仅用在支撑或反作用力上。（这些早期桨手没有现代赛艇运动员所使用的滑座。）这个动作基本上是用一种拉力来抗衡缓慢消失的阻力。五名桨手坐在船内侧桨的末端，最外侧一人的动作要比靠近枢轴处桨手的动作快很多，但是即使是最末端的桨手划桨时也可能远低于其最佳速度。大多农业和林业工作的肌肉使用也属于同一范畴。锄、挖、锯、砍、叉和铲这些动作都主要依靠手臂肌肉和背部肌肉，腿部肌肉几乎没有什么有效的力的输出。在很多情况下，肌肉必须绷紧以对抗强烈的阻力；现在我们知道，当肌肉在一个较小的阻力下快速收缩时，能产生最大的功率，这被称为良好的阻抗匹配。在自行车的具体背景下，这种良好的阻抗匹配可能被称为最佳传动比。 一个中世纪的在最佳传动比中利用相应肌肉的例子是绞盘。几个人绕圈行走，推动旋臂，绞动绳索。绞盘的直径根据工作条件选择，每个劳工可选择最适合的径向位置推动。同样的原理在水平脚踏轮上得到了逆转。倾斜踏轮可以使人体处于更直立的姿势，手臂施加的推力更小。最后踏轮在一个水平轴上垂直立起。各种布局排列都是可行的，最常见的是无数用在中世纪起重机和磨坊的仓鼠鼓式踏轮，也被称为踏车。如今它仍被用作水平或倾斜的环形皮带以锻炼或测试肌力。 较罕见的是莱昂纳多·达·芬奇提出的用于提高军备的笼式踏车。还有更为残忍的用在惩教院强制苦役的踏车。自1821年起，一名英国工程师为布里克斯顿（Brixton）监狱“发明”十台大型惩罚性踏车，连在两个磨盘和水泵上。十到二十名犯人同时推动磨盘以磨取面粉。不像厨房里的扫地机、绞盘，甚至是仓鼠鼓式的踏轮，所有这些至少让工人可以选择施加的力，而残忍的布里克斯顿轮设计，要求每个囚犯和其他囚犯一样，以完全相同的速度施加自己重量。这个速度是由一个操作钟的离心机制维持的（《镜报》，1822）。沃尔顿（Walton）2015年和F. I. 卡奇（Katch）、麦卡德尔（McArdle）、V. L. 卡奇1997年给出的数据有所不同，但确实表明囚犯每天必须以120～250瓦的功率工作数小时，而且他们营养不良，经常生病。到19世纪中叶，大约有100所英国监狱，以及英国殖民地和美国的一些监狱，都配备了这种设备，导致一些囚犯残疾和死亡［瓦韦尔（Vaver），2013］。这种惩罚方式直到1902年才停止。在南非，一个工作模型被留存或者说被重建了出来（图1.2）。 奥古斯蒂诺·拉梅利（Augustino Ramelli）提出了许多新颖甚至独特的踏车，包括可能是唯一适合人坐姿使用的半躺式踏车（图1.3）。这样的工作可能不太愉快，但比起战船上的苦役犯或维多利亚时代的囚犯的工作，这要惬意得多，而且视野也更好。注意传动：先加速，再大幅减速。 历史上第一个明确的人力交通工具（如果不包括独轮车和由男人或女人拉或推的手推车）是17世纪90年代在法国据说是由男仆推动的四轮车［里奇（Ritchie），1975，第16页］。（一幅据称是莱昂纳多·达·芬奇学生的作品被莱辛证明是赝品。） 第一辆自行车 似乎自行车发展中最重要的发现都是出于偶然。卡尔·冯·德莱斯男爵（Baron Karl von Drais）居住于曼海姆，在海德堡学习数学和力学。他是二进制数字系统、纸带钢琴音乐录音机、打字机和架在四个轮子上的双人力“驱动机”的发明者，而当时正值自1812年以来的粮食歉收时期。1815年，印度尼西亚的坦博拉火山爆发，驱使有史以来最多的火山灰进入了大气（据估计是1883年喀拉喀托火山灰的七倍之多），并使得中欧地区和新英格兰在1816年成为“没有夏天的一年”。饥荒蔓延，马匹因缺乏饲料而被宰杀，那时燕麦价格起到的作用和如今原油价格起到的一样。莱辛（1995）相信持续的马匹缺乏导致冯·德莱斯改进了他的两轮“会跑的机器”，他一开始就给前轮安装了转向装置（图1.4）。我们早前猜想他并没有预想到转向装置会使得他保持平衡，这么做只是为了方便而已。但是，莱辛（1995，第130页）提出一个强有力的论点，滑冰“在有着众多河道的荷兰长久以来就是一种旅行和交通的方式”，它促使了轮滑的出现。莱辛引用资料描述道，轮滑是1761—1772年间剧院舞台上“一双设法用小金属轮子滑行的”模仿滑冰的鞋。1790年一张留存的在海牙到席凡宁根之间的户外演出的传单证实了最早的直排轮滑鞋。这些并没有出现在当时的科技类杂志里，因此很难断定冯·德莱斯是否了解。但是冯·德莱斯本人是一名滑冰者，因此单脚滑冰时保持平衡有可能激发了他对于大型滑动设备需要转向装置的思考。［如本章后面所述，1863年詹姆斯·普林顿（James Plimpton）为可操控的旱冰鞋申请了专利，这使他成为千万富翁（莱辛，1995）。］一个记录更为详尽的影响是对负荷下方安装中心轮的中式独轮手推车的重新探索，而这也成为海德堡大学的一项研究课题。 尽管我们已经有了自行车运动史上的重大发现，却几乎没有任何记载。冯·德莱斯交通工具的消息在1817年德国、1818年英国、1819年美国的报纸上刊登。在巴黎，冯·德莱斯获得了一项为期五年的专利，它被称为le vélocipède（事实上，从1817—1870年，velocipede这个词在英语中用来指任何以脚为动力的车辆）或la draisienne，德语和英语中为Draisine。在英国，人们称之为步行加速器（Pedestrian Accelerater），它还有一个昵称“玩具马”（Hobby Horse）［斯特里特（Street），1998］。（活马需要持续的照料。这些机械“马”可以随意使用或置之不理，因此被称为玩具。） 尽管起初受到怀疑和嘲笑，冯·德莱斯很快就证明，即使超过两三个小时的路程，他的速度也可以超越跑步者或者马拉车。他下斜坡和高速转向时的平衡能力起到了尤为重要的作用，这使得不太运动的大多数人心生敬畏。他确确实实是通过转向实现两轮平衡自行车的创始人。 冯·德莱斯有众多模仿者。其中之一是伦敦的车身制造商丹尼斯·约翰逊（Denis Johnson），他制造了看起来更加美观的两轮车，与之前的木制车身不同，他用铁制作了新的车身（因此可能会有一点重）。很快，这一交通工具被称为“丹迪马”（Dandy Horse）。约翰逊设立了一所学校专门教授年轻绅士如何骑车。在接下来的一年，骑两轮车出行这股风潮蔓延到了牧师、邮差、商人那里，如果当代漫画家所记录的也可被作为可参考的史料的话。但是，它的售价过高以至于只有富人才能购买使用。1821年，刘易斯·冈珀茨（Lewis Gompertz）给前轮安装了摆动圆弧棘轮传动（图1.5），这样骑车人可以拉动转向手柄以辅助双脚前进。但是这种两轮自行车受到了诸多限制以至于失去了它本身的用处，“他们下令在街道和公路上行驶的骑车人应被拦停并予以罚款”［戴维斯（Davies），1837］。约翰·平克顿2001年在与这位资深作者的通信中表示，他认为戴维斯言过其实：自行车使用者几乎都是非常富有的人，因此不太可能受到骚扰。 冯·德莱斯在安全自行车发展史三个阶段中的首要地位是不可撼动且毫无争议的。相比之下，第二、第三阶段（“阶段”似乎是恰当的说法，因为每一步都导致了自行车性能“阶段性的改变”）被笼罩在神秘和争论之下，当今的人们总是支持这一或者那一论点。 在本书之前的版本里，以及在其他权威的自行车历史书籍（包括里奇1975年出版的书）中，都认为是在1839或1840年，由苏格兰邓弗里斯郡的柯克帕特里克·麦克米伦（Kirkpatrick Macmillan）开始了第二阶段。据说，他把曲柄安装在自行车（大的）后轮上，通过连杆连接前轮轴心附近的摇动臂。可惜的是，自行车发明家几乎很少能留下无可争议的证据，麦克米伦当然也是如此。他所声称的发展被尼古拉斯·欧迪（Nicholas Oddy，1990）、汉斯—埃哈德·莱辛（1991）、阿拉斯泰尔·多兹（Alastair Dodds，1992）认为是又一个不真实的故事。莱辛指出，在当时以及后来那种沙文主义气氛下，不讲道德的人不断制造“证据”说自己国家的某个人是第一个发明了什么引人注目的设备的人。（根据一个亲戚所说，如图1.6所示的这种自行车的发明归功于麦克米伦，实际上它却是第二阶段中麦考尔于1869年发明的。）但是有人确信说，事实上麦克米伦很早之前就制作出了可骑行的两轮自行车。 正如本章前面所说，到1821年时木马式两轮自行车“潮”已经大大减退。自行车发展的第二阶段还要等到19世纪60年代（参阅下一节）。为什么如此之久？你可以推测出那些使两轮交通工具得到发展并对它抱有极大热情的国家——主要有德国、法国、荷兰、美国、英国——随后相继都处于铁路建设热潮中。新式快速的出行方式出现了，这项技术诱使发明家和机械师的创意与精力从过于普通的人力交通转移开来。这与80年后发生的事情有惊人的相似之处，人们对安全自行车的热情在对机动车的激情面前烟消云散。莱辛（1995）指出，自从安全自行车面世，轮滑就不再受欢迎，室内溜冰场在欧洲接二连三倒闭，但在美国还有一席之地。 如果说所有的人力交通工具发展在此时就结束未免有些过于夸张了。仍然有些爱好者使用这种交通工具（包括维多利亚女王的丈夫阿尔伯特亲王），但范围并不广泛。人们因为它的体积、重量和价格以及不良的路况不愿意改变出行方式。威拉德·索耶（Willard Sawyer），英国肯特郡车身制造商，制作了更加精细的四轮自行车，如图1.7所示。从大约1840—1870年［麦古恩（McGurn），1999，第24—26页］，他把这些四轮自行车出口到世界各地。只有一些爱好者还在使用，但之后就没有下文了。毋庸置疑，在不同的国家一定仍有些发明家和机械师做着改进德莱辛式自行车的工作。

前　言 纪念戴维·戈登·威尔逊 第一章　自行车骑行简史 第二章　人体能量产生 第三章　速度成就和比赛 第四章　功率与速度 第五章　自行车空气动力学 第六章　滚动：轮胎和轴承 第七章　制　动 第八章　转向、平衡与稳定性 第九章　动力传输和混合动力系统 第十章　不同寻常的人力机器 第十一章　人力运输车辆