2021-12-01 为什么自行车不会倒
December 2, 2021•162 words
昨天娃问我，为什么自行车不会倒，一下把我问倒了，我说你这个问题问得非常好，但是我也不知道，我说我要去搜一下。抱着也许这是让娃对力和运动感兴趣的一个好方式啊，回家路上，认认真真看了一下，youtube 、B 站上找了些视频。整了个长长的播放列表，但发现说原理的比较少，那些很短的，大多是在说陀螺效应，而且并没有说清楚为什么陀螺效应就可以让自行车动起来。
有一个视频是说，是 3 种力学机制让自行车保持平衡的。
- 单车的转向轴往后倾
- 车把和前轮中心位于转向轴前方
- 前轮的陀螺效应
但是讲真他的论证过程我也看不懂。。。所以根本没法跟娃讲。还有一个视频是讲实际上我们转向的过程中，如果要向右转，我们是先向左，再向右，这个时候，如果我们强制不能做这个先向左，直接向右的话，会摔倒的，他们还做了实验。不过这个也不太能让我理解原理。还有讲变速器的，也看不大懂。这就陷入僵局了。
我就想什么人这么厉害，居然能想到设计出自行车，他怎么能知道自行车能保持平衡，不会倒呢？毕竟这个东西是需要练习的，他怎么知道练习之后能会骑自行车呢？
这个时候，2个自行车发展史救了我。1 个是动画的，讲了自行车是怎么发展的，还有一个是真人真车视频，应该是后来仿照原先的自行车拍的，再加上 Wikipedia，总算是大概能知道自行车是怎么发展的
1766 年 一群修士在修复达芬奇手稿的时候，发现最早的自行车雏形，但没有实际制造出来，停留在想象阶段
1791 年 法国人西夫拉克（Comte de Sivrac）发明了由两个木质轮、中间连着横梁、上面安个板凳的「木马轮」，这个木马轮没有转向装置，也没有传动链条，起因是他下雨天被四轮马车溅了一身泥，觉得马车应该切掉一半，从两个车轮变成一个（《改变世界的发明》里面讲自行车是他发明的）
1817 年 德国人卡尔莱德思，说是个森林管理员，因为每天要去森林巡查，非常累，也做了一辆自行车，应该就是「木马轮」加了一个控制方向的车把。后来他的自行车在贵族中流行，被叫做小马驹（hobby horse）
1840 年 苏格兰铁匠麦克米伦，在后轮车轴上装上曲柄、再用连杆把曲柄和前面的脚蹬练起来，前轮大、后轮小。这样双脚可以离开地面带动轮子前行了。但是因为当时自行车非常重，有 50kg，用这种方式骑车非常累
1861 年，法国人米肖父子，在前轮上安装了能转动的踏板，车子的鞍座架在前轮上面，他们的作品在 1867 年在巴黎博览会上展出，引起了轰动。
1874 年，英国人罗松，在自行车上装上了链条和链轮，用后轮转动来推动车子前进
1886 年，英国工程师约翰·斯坦利，从机械学、运动学的角度设计出了新的自行车样式，撞上前叉和车闸、前后轮相同，以保持平衡，并用钢管制成了菱形车架，还首次使用橡胶车轮。斯坦利不仅改进了自行车的结构，还改制了许多生产自行车部件用的机床，为自行车的大量生产和推广应用开辟了开阔的道路，因此他被后人成为「自行车之父」他设计的自行车与今天自行车的样子基本一致了。但是当时的自行车也被叫「震骨机」，因为轮子直接和地面接触，骑起来非常酸爽。
1888 年，爱尔兰的兽医约翰·登禄普，从医治牛胃气膨胀中得到启示，将自家花园用来浇水的橡胶管粘成圆形并打足气装在自行车上。这大大改善了自行车的舒适度（小故事：视频里提到邓禄普轮胎，我觉得这个兽医厉害，兽医发明橡胶轮胎，还把公司开那么大，后来才发现他只是申请了专利，专利被购买后，商标和技术被别人拿去赚钱了，他打了官司，最终换了登禄普充气轮胎公司 1500 股的股份，没有让他发大财）
1970 年，登山用的自行车出现，自行车的另外一项划时代发明变速器被制造了出来
看这些视频和记录才知道，原来根本就不是因为理解原理才发明出来了自行车嘛，是出于需求，一开始做了个类似平衡车的东西，然后经过将近 200 年时间，由不同国家，不同职业的人发挥自己的聪明才智才做出来的，虽然 1886 年的工程师斯坦利对自行车的普及，安全性起了非常重要的作用，是自行车之父，但是前人的探索同样至关重要。感觉自己再也不会小瞧那些看起来没有用，又很粗糙的小玩意儿了。
从这个发展过程来看，现在觉得理所当然的事情，原来当时根本就想不到，比如本来以为踏板只能装在轮子上，而让车子越来越快的方式，只有把轮子做大，好不容易用上齿轮和链条，还是都用在前轮上的。
我本来以为自行车的发明，最厉害的应该是怎么能知道他能保持平衡了，但实际上，生产安全稳定的自行车，需要那么多考虑的因素呢，比如车架的结构，比如齿轮和链条，比如为了减轻重量用空心管做车架、用钢丝做车轴，还有橡胶轮胎，而每一次突破都经过了好几年，甚至几十年的时间。
不得不感叹，我们的想象力和世界的发展真的是还差得远呢，我们现在觉得理所当然的事情，也许 10 年后回过头来看，也觉得当时的工具或想法很粗糙呢，哈哈。
打算给娃做个小书，把自行车发展史的图片放上面，感觉会非常有趣，本周 KPI，一定要完成，加油！
Ref.
自行车的发展过程
视频：两百年前，自行车长这样：前轮两米多高、三个轮子、没有链条.....
是真人、真车，非常有趣视频自行车发展史-诞生于定型
动画的自行车的历史，有些和 Wikipedia 有点细微出入，但整体还是对得上的，非常生动有趣视频：How Do Bikes Stay Up?
三种力相互作用视频：Most People Don't Know How Bikes Work
自行车其实是改变方向的时候，是先朝反方向运动，再朝目标方向运动，否则会摔的实验。变速器的发展历史
有很大的自行车图片