自行車之謎

葉茂

自行車我們都很熟悉了，“纖細(xì)苗條”的身子，簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的構(gòu)造，一對(duì)車把、一個(gè)坐墊、一段鏈條再加兩個(gè)輪胎，這些普通的東西就組成了經(jīng)典的交通工具，騎上它仿佛就能走遍世界。當(dāng)然，這種想法不太現(xiàn)實(shí)，世界那么大，單靠自行車很難走遍，好在科技發(fā)展至今，交通工具發(fā)生了翻天覆地的變化。未來(lái)，自行車又會(huì)發(fā)生什么變化呢？

自行車的成長(zhǎng)史

想知道自行車未來(lái)會(huì)怎樣，我們還得從它的過(guò)去說(shuō)起。

自行車剛出現(xiàn)時(shí)可不是現(xiàn)在這樣的，當(dāng)初的它比現(xiàn)在更加“其貌不揚(yáng)”。1790年，一位法國(guó)年輕人由于被路過(guò)的四輪馬車濺了一身水，一氣之下拆掉了馬車的兩個(gè)輪子，制造了世界上最早的自行車。由此，我們可以想象出這輛初代自行車的樣子：一根長(zhǎng)條木板架在兩個(gè)輪子上，既沒(méi)有車頭車把，也沒(méi)有鏈條軸承，就連原來(lái)套馬的結(jié)構(gòu)也被省掉了。想要這輛自行車動(dòng)起來(lái)，騎車人得用自己的大長(zhǎng)腿在地上“劃動(dòng)”，沒(méi)錯(cuò)，就像電動(dòng)車沒(méi)電時(shí)人們推動(dòng)電動(dòng)車那樣，雙腳用力蹬地前行。人們要轉(zhuǎn)彎時(shí)就要下車，通過(guò)搬動(dòng)車子來(lái)扭轉(zhuǎn)前進(jìn)方向。

你一定會(huì)說(shuō)，這種東西怎么能叫自行車呢？當(dāng)時(shí)的人們也這么想的，因此很長(zhǎng)一段時(shí)間里，這所謂的自行車都被人們棄如敝履。直到1817年，德國(guó)的看林人德萊斯再次獨(dú)立發(fā)明了自行車。德萊斯用兩個(gè)木輪、一個(gè)鞍座、一個(gè)安在前輪上起控制作用的車把，制成了一輛輪車。制成后，他每天就坐在車上，用雙腳蹬地驅(qū)動(dòng)自行車，在樹林里巡邏，而不用再像之前一樣，整天走來(lái)走去。剛開(kāi)始，人們對(duì)此還是不以為然，他們認(rèn)為這種自行車比馬車差遠(yuǎn)了，沒(méi)想到事實(shí)讓人大跌眼鏡：在一次比賽中，德萊斯騎著自行車僅用4個(gè)小時(shí)就到達(dá)了終點(diǎn)，馬車卻用了15個(gè)小時(shí)。從這時(shí)起，人們開(kāi)始重視自行車，紛紛加入了改良自行車的大軍。

我們現(xiàn)在熟悉的自行車是許多人一點(diǎn)點(diǎn)“拼湊”出來(lái)的。

1839年，英國(guó)人馬克米廉發(fā)明了腳蹬，將它裝在自行車的前輪上，從此人們就不必再以蹬地的方式推動(dòng)車子，騎車更加省力了。

1869年，法國(guó)人吉爾梅首次將鏈條裝到了自行車上，通過(guò)此前人們發(fā)明的曲柄、輻條和軸承等將鏈條與輪胎聯(lián)系在一起，當(dāng)人們蹬車時(shí)，鏈條會(huì)將動(dòng)力傳給后輪，車子就會(huì)動(dòng)起來(lái)。

1886年出現(xiàn)的自行車的工作原理已經(jīng)與現(xiàn)代自行車基本相同，英國(guó)工程師斯塔利給自行車裝上了前叉和車閘，用鋼管制成了菱形車架，還首次使用了橡膠車輪。從那時(shí)起，騎著自行車出行，便成了人們司空見(jiàn)慣的場(chǎng)景。

自行車為什么這么穩(wěn)

縱觀自行車的發(fā)展史，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，自行車更像是一種隨手造出的玩具，為什么將馬車鋸掉一半造出的自行車還能正常行駛？馬車用四個(gè)輪子才能保持穩(wěn)定，兩個(gè)輪子的自行車如何保持穩(wěn)定呢？這個(gè)問(wèn)題科學(xué)家們至今還沒(méi)搞明白。

最開(kāi)始，人們聯(lián)想到的是陀螺，陀螺的主體是圓盤狀的，靜止?fàn)顟B(tài)下是不可能保持穩(wěn)定的，但一旦開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，除非遇到強(qiáng)大的外力干擾，否則它能保持很長(zhǎng)一段時(shí)間的勻速運(yùn)動(dòng)，久久都不會(huì)停下來(lái)。這與自行車不是很相似嗎？自行車靜止時(shí)，兩個(gè)圓環(huán)形的輪胎是不能讓它保持穩(wěn)定的，但自行車運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后，不需要包括人力在內(nèi)的其他支撐物，自行車就能平穩(wěn)地運(yùn)行。由此，人們提出了“陀螺效應(yīng)”，在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，陀螺能產(chǎn)生一個(gè)與重力方向相反、大小相等的作用力，這使得它在運(yùn)動(dòng)時(shí)能屹立不倒，而自行車的運(yùn)動(dòng)則與此相似。

這種說(shuō)法感覺(jué)很有道理，因此從19世紀(jì)末提出開(kāi)始，人們大多相信了這種說(shuō)法。直到1970年，一位名叫大衛(wèi)·瓊斯的英國(guó)科學(xué)家證偽了這一說(shuō)法。瓊斯造出了一輛奇怪的自行車：他在一輛普通的自行車的前輪旁邊平行安裝了一個(gè)不和地面接觸、旋轉(zhuǎn)速度與前輪相同的車輪。當(dāng)附加的車輪與前輪旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)，會(huì)使陀螺效應(yīng)加倍，而當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，整體的陀螺效應(yīng)則會(huì)抵消為零。有意思的是，試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論陀螺效應(yīng)加倍還是消失，都不影響自行車的穩(wěn)定性。

據(jù)此，瓊斯提出了一個(gè)新理論：“前輪尾跡”，他認(rèn)為由于前輪重心比車把更靠前，當(dāng)車傾倒時(shí)，車頭也會(huì)朝同一個(gè)方向歪掉，這樣車子的重心就會(huì)發(fā)生反向的偏移，車身最終得以平衡。

但瓊斯的理論又被另一輛奇怪的自行車推翻了：2011年，荷蘭的研究者造出了一輛既不符合陀螺效應(yīng)也不符合前輪尾跡的自行車，它的前后輪分別有兩個(gè)，大小相同，旋轉(zhuǎn)方向相反，而且，它的前輪遠(yuǎn)遠(yuǎn)落在車把之后。試驗(yàn)結(jié)果表明，這樣的“兩無(wú)”自行車仍然能夠穩(wěn)定行駛。吸取了教訓(xùn)的研究人員表示，自行車到底為什么能保持平衡，他們也不知道。從此，自行車保持平衡的“秘訣”更加撲朔迷離。

自行車的奇特未來(lái)

沒(méi)搞懂自行車的平衡原理不要緊，至少，工程師們知道了，不那么中規(guī)中矩的自行車也能穩(wěn)定行駛，這樣，未來(lái)的自行車就能往各種神奇的方向展開(kāi)了。

英國(guó)賽車手克里斯·博德曼設(shè)計(jì)的智能自行車是簡(jiǎn)約派的代表，整輛車看不到一點(diǎn)金屬線條，剎車裝置、傳動(dòng)鏈條和輪胎輻條通通沒(méi)有，座位也僅靠一段碳纖維與車頭相連。不過(guò)，這輛車的功能可不少，車上設(shè)計(jì)有指紋安全掃描儀、太陽(yáng)能備用發(fā)動(dòng)機(jī)和車載電腦。車子的指紋解鎖加強(qiáng)了防盜功能，如果想要鍛煉可以通過(guò)腳踏板驅(qū)動(dòng)內(nèi)置齒輪，累了的話太陽(yáng)能電池能讓車子秒變電動(dòng)車，內(nèi)置電腦還能播放音樂(lè)，開(kāi)啟一段舒適的兜風(fēng)旅程。

中國(guó)一位設(shè)計(jì)師放棄了自行車通常的三角車身，設(shè)計(jì)了一個(gè)由圓環(huán)結(jié)構(gòu)串聯(lián)在一起的可變車架，由此將車頭、車座、鏈條和后輪全部連接在一起。由于這些圓環(huán)結(jié)構(gòu)的角度均可調(diào)整，因此，整個(gè)車身能自由變化——銳角三角形、正方形、鈍角三角形乃至折線都可以被折疊出來(lái)，無(wú)論你是個(gè)多么挑剔的人，都可以找到最適合自己的位置。另外，這款自行車還內(nèi)置了諸多傳感器，能提供包括車速、消耗的卡路里數(shù)量等數(shù)據(jù)，并通過(guò)LED顯示屏進(jìn)行顯示，滿足了人們的健身需求。

美國(guó)一家公司設(shè)計(jì)的“懸浮自行車”是為了網(wǎng)絡(luò)生活而生的，它不僅能作為“充電寶”，還是一款“路由器”。用戶在騎車的過(guò)程中，其內(nèi)置電池能將踩踏時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力轉(zhuǎn)化成電能，插上配套的USB插頭就能給其他電子產(chǎn)品充電。這款自行車還內(nèi)置一個(gè)wifi熱點(diǎn)，在騎行過(guò)程中電子設(shè)備也能夠聯(lián)網(wǎng)。不過(guò)這款自行車的騎行體驗(yàn)可能不會(huì)太好，因?yàn)樗淖伪溶囶^還要高，而且這個(gè)座椅也僅僅是一塊橫板，這種設(shè)計(jì)是為了增強(qiáng)整個(gè)車架的強(qiáng)度。

工程師們還有許多更神奇的設(shè)計(jì)，比如配有方形輪胎的自行車、車架呈“X”形的可折疊自行車、前后輪大小不同的變速自行車等，它們有著各自不同的功能。作為廉價(jià)、環(huán)保的代表，自行車這種簡(jiǎn)單的交通工具在未來(lái)還會(huì)煥發(fā)出新的生機(jī)，讓我們拭目以待吧。