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专业科普:自行车为什么不会倒?

自行车现在是很普通的一种交通工具。据西方文献记载,它最早是一种如图1被称为“好马”(dandy horse)的滑行工具,前进的动力是人的脚在地上行走,还是1817年一位名叫德莱斯(Baron von Drais)的德国人发明的,取得了专利。后来经过许多改进,直到19世纪中叶才发展到现在的模样,不过据《清朝野史大观》记载:“黄履庄所制双轮小车一辆,长三尺余,可坐一人,不须推挽,能自行。行时,以手挽轴旁曲拐,则复行如初,随住随挽日足行八十里。”由此可见,他制造的自行车,前后各有一个轮子,骑车人手摇轴旁曲拐,车就能前进,这是史料最早记载的自行车。可见清朝人黄履庄(1656-?)很早就发明了类似于自行车的装置,而且不是用脚蹬而是由手摇动曲柄前进。

比黄履庄大一岁的清初词人纳兰性德(1655-1685)在他的笔记小说《渌水亭杂识》中有一段记载:“武侯木牛流马,古有言是小车者。西人有自行车,前轮绝小,后轮绝大,以高临下之势。故平地以得自行。或即木牛流马乎。而坎曲折,大费人力也。”可见在清初,西方传教士就已经把当时西方的自行车传到中国来了。这里说由于前轮小后轮大,能够“以高临下”所以平地能够自行的说法,从力学上是没有道理的。这在当时力学学科还不成熟,力学知识也不普及的情形下的一种蒙昧的猜想,是可以理解的。至于说到高低不平的道路上,大费人力,是可以理解的。纳兰性德提到的自行车,大约形如图2或图3,不过用链条传动的自行车,大约要到19世纪末才普遍使用。

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图1 “好马”

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图2 前轮小而后轮大的自行车

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图3 最早有链条传动的自行车

现今,对于一般人来说,骑自行车是轻而易举的事情。早期的研究大多集中注意于如何加速的问题。事实已经证明,它是一种最省力最优秀的非机动交通工具。不过要讲清楚行进中的自行车为什么不倒的问题,即自行车的控制的问题,可不那么简单。这就是所谓的“自行车稳定性”的问题,即有两个轮子支起来的自行车,在行进时为什么居然非常稳当不会倾覆?一百多年来这项研究吸引了许多著名的力学家、物理学家乃至数学家参加,累计发表的有名的论文,包括以英、德、法、俄、意大利等各种语言的论文,在百篇以上,其中还有博士、硕士和学士的毕业论文,特别是1897年法国科学院,还为之设立过一次悬赏(Prix Fourneyron competition)。令人惊异的是,迄今这个问题很难说已经最后解决了,人们还在继续研究。

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  • 洛杉矶 2015-10-03 23:42

    美骑够专业

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  • 毛驴贩子 2014-06-21 10:14

    看似无聊,却有现实意义.好!!!

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