为什么我们等了这么久的自行车? (2019)

2020-12-08 05:32:28

我们今天所知的自行车直到1800年代末才发明。但这是一个简单的机械发明。它似乎不需要出色的发明见解,当然也不需要科学背景。

我在Twitter上问了这个问题,并阅读了有关Quora的一些讨论。人们提出了许多假设,包括:

技术因素。在1800年代,金属加工得到了很大的改善:我们改进了铁精炼工艺,最终获得了廉价的钢材,更好的金属成型工艺,以及制造空心管等零件的能力。车轮技术得到改进:钢丝辐条(又名张力辐条)车轮取代了更重的设计;轮胎需要硫化橡胶(1839年)。充气轮胎直到1887年才发明。链条,齿轮和滚珠轴承都是至关重要的零件,它们需要先进的制造技术来保证精度和成本。

设计迭代。早期的自行车不方便且危险。第一个版本甚至没有踏板。某些版本没有转向,只能靠倾斜来转动。 (!)著名的“竹enny”设计具有巨大的前轮,不可能用双脚保持平衡,容易在急停时翻倒,并且通常将骑手高高悬空,所有这些受伤风险增加。一个成功的自行车模型花了数十年的迭代。

道路质量。按照现代标准,在1800年代或更早的时期,道路是糟糕的。道路经常是泥泞的,由于许多推车的通过而发痒,在雨中变得泥泞。碎石路面直到1820年才发明出来,使路面光滑。直到那时,城市道路上都铺满了鹅卵石,虽然对马匹有益,但对于自行车却过于坎bump。 (不均匀性显然是造成污水流失的一个特征,Quora的一个回答是声称城市下水道的建设是打开自行车之门的原因。)

马匹比赛。当时,马是一种普遍接受的运输方式。他们可以应对各种道路。他们可能会搬运重物。谁需要自行车?在这方面,据称发明这种自行车是为了应对因“ Mt. No. Summer”(无夏之年)而造成的食物短缺,这是由Mt. Mt.火山爆发引起的1816年天气事件。一年前的坦波拉(Tambora),使世界许多地方的天空变暗,气温降低。农业危机导致马匹和人民挨饿,导致一些马匹被宰杀作为食物,并使其余马匹的饲养成本更高。这可能促使人们寻找替代品。

总体经济增长。多个评论者指出,中产阶级需要提供这种发明的需求。如果您只有贫穷的农民和几个贵族(顺便说一下,有马,马车和司机),那么自行车的市场就没有多少了。当您意识到自行车在成为一种实用的交通工具之前,它更是一种娱乐性的爱好时,这似乎更合情合理。

文化因素。也许直到历史上的某个特定时刻,人们才对有用的机械发明普遍缺乏兴趣?但是什么时候改变了,为什么呢?

道路的质量是相关的,但并不是真正的答案。可以在土路或人行道上骑自行车(尽管后者导致行人磨合,并且起初使自行车在公众中不受欢迎)。从历史上看,直到自行车普及后,道路才有所改善。实际上,部分原因是骑自行车的人呼吁改善道路。

我也不认为马会解释它。根据我的阅读,自行车比马便宜,而且维护当然也便宜(如果没有别的,则不必养活自行车)。事实证明,发明人对人力车辆的问题很感兴趣,因为在现代自行车出现之前很长一段时间内,人们不再需要马。甚至在“无夏之年”之后发明了第一台两轮人力车的卡尔·冯·德赖斯(Karl von Drais)在此问题上工作了多年。

技术因素使我更有说服力。对于自行车的实用性和廉价性而言,它们可能是必要的,以使其起飞。但早期实验并不需要它们。框架可以用木头建造。车轮可以用金属加框。齿轮可以省略。链条可以换成皮带;一些早期的设计甚至使用踏板代替踏板,并且至少有一种设计像在蒸汽机车上那样用杠杆驱动车轮。

人力车辆的概念可以追溯到多个世纪。我发现的最早参考文献是威尼斯工程师乔瓦尼·丰塔纳(Giovanni Fontana),他在1400年代初描述了一种四轮马车,由驾驶员拉动由齿轮连接至车轮的绳索环驱动(目前尚不清楚他是否曾尝试制造这样的机器;丰塔纳(Fontana)勾勒出很多奇怪的东西)。

三个多世纪以前,杰出的法国数学家雅克·奥扎纳姆(Jacques Ozanam)阐明了人力马车的理论优势:“马车可以随心所欲地驾驶。”它的所有者可以在道路上自由漫游,而无需照顾动物,甚至可以在此过程中享受健康的锻炼。此外,与要求使用风或蒸汽进行推进的车辆相比,这种特殊类型的“自移动”车辆将在所有资源中最丰富,最容易获得的上运行:意志力。但是如何构造这样一种有价值的工具呢?这就是奥扎南(Ozanam)在1696年出版的著名的《数学与物理学》中发现并解决的大约五十个“有用和有趣”的问题中的二十三个。

奥扎南(Ozanam)的书提出了另一位发明家提出的解决方案:另一辆四轮马车,由两个人驱动(一个人驾驶,一个人通过踩在通过绳索,滑轮和齿轮连接到车轮的大踏板上来驱动车辆) 。

似乎几个世纪以来,马车一直是人力车辆的模型。各种各样的发明者尝试了设计,甚至完成了一些。伦敦日记中记录了1774年的一次尝试,时速达每小时六英里。法国发明家让·皮埃尔·布兰查德(Jean-Pierre Blanchard)(后来因热气球而成名)制造了一辆人力车,从巴黎到凡尔赛仅十几英里。一位名叫Bolton的美国机械师在1804年制造了一个版本,该版本使用了互锁齿轮的机械杠杆作用。据推测,所有这些尝试都无济于事,因为这些机器太大,太重而无法实用。

关键的见解是停止尝试制造机械托架,而改为制造更像机械马的东西。前面提到的卡尔·冯·德赖斯(Karl von Drais)在1800年代初期就采取了这一步骤。德拉斯是一位贵族。他在巴登(Baden)担任森林主管,据说这给了他腾空的时间进行修补。他的首次尝试始于1813年,像他们的前辈一样,是四轮马车,但他们未能获得当局的支持。

但是在1817年(可能是由于前述的粮食危机和由此导致的马匹短缺,尽管目前尚不清楚),他再次尝试了一种新设计:两轮单人车辆,是现代自行车的公认祖先。它是用木头制成的,带有铁胎。他称它为Laufmaschine,即“跑步机”。它没有踏板,而是直接用脚踩下地面来驱动。它的发明者也叫“ velocipede”(拉丁语为“ swift foot”)或“ draisine”(英语)或“ draisienne”(法语)。伦敦教练的改进版本在英格兰被称为“步行课程”。

没有踏板或齿轮,这种原型自行车就无法实现现代设计的速度或效率。但是,就像今天孩子们仍在使用的踏板车一样,它可以让您滑行,尤其是下坡,并且在前进时可以保持体重。 Drais的机器每小时可以攀升12英里。 1818-19年在欧洲风行一时,然后逐渐消失。这些原因似乎是由潜在的伤害和公众的普遍厌恶共同造成的,这些事情是通过人行道和公园等行人专用区行驶的(有些事情永远不会改变;今天,我们在踏板车大战中重复这种情况)旧金山和其他城市)。

直到几十年后,有人踩着脚踏车,下一个关键的进步才出现。对第一位发明家的说法相互矛盾(可追溯到1839年),但这肯定是在1860年代法国完成的。无论如何,直到1860年代,自行车的发展才真正开始。踏板可使骑手更快,更有效地推动机器。这种模型最初是在法国制造的,最初是木制框架,后来是铁制的,因此通常被称为“ boneshaker”(使您了解行驶的崎rough程度)。

但是,在这一点上,仍然没有齿轮或链条。踏板直接安装在前轮上。这给了骑手一点机械上的好处:它与齿轮比为1:1(相对于当今最常用的接近3:1的齿轮比)的固定器相同。想一想踩低档的自行车会是什么样的感觉:脚踩得太多了却步伐不快。

唯一的解决方案是增大车轮,直到1870年左右,才有了带有巨大前轮的外观怪异的“一分钱”或“高轮”设计,您可能已经看到这种轮毂,并且可能与1800年代后期结合使用。到这个时候,自行车已经制成了金属框架,钢丝轮和实心橡胶(尚未充气)轮胎。这种设计的确能提供更快的行驶速度和更平稳的行驶,因为大轮毂可以更好地吸收震动。但这需要杂技平衡才能骑行,而且如上所述,它容易造成讨厌的溢出物和伤害,包括如果突然停下来就“抬头”。

然后,第三个也是最后一个关键是将踏板与车轮分开。从1870年代开始就尝试对这种“安全自行车”进行改动,包括至少由脚踏板和杠杆驱动的一辆。约翰·史塔利(John Starley)于1885年生产了第一个商业上成功的模型,采用了熟悉的曲柄和链条设计。最终,在1888年,约翰·邓洛普(John Dunlop)推出了充气(充气)轮胎,为行驶提供了缓冲,并消除了便士制轮胎的最后优势。

因此,到1880年代末,自行车已经发展成为我们今天所知的形式,它具有(大约)相等大小的车轮,踏板,链条,金属框架,钢丝辐条轮和充气橡胶轮胎。

首先,正确的设计并不明显。几个世纪以来,进展一直停滞不前,因为发明人都在尝试制造多人四轮车,而不是单人两轮车。目前尚不清楚这是为什么;当然,发明家们正在模仿现有的运输方式,但是为什么他们只能从马车上而不是从马车上汲取灵感呢? (一些评论者认为,两轮车不会很平衡,但是鉴于人们学会了平衡的其他东西,从独木舟到马匹,我发现这一点令人信服。)这是可能的(我是纯粹是在这里推测)早期的机械发明家很难意识到滑架设计的基本可行性,因为他们没有太多的数学工程原理可以进行下去,但是仍然不清楚是什么导致了Drais的突破。

甚至在Drais推出了两轮设计之后,它还是经过了数十年的多次迭代,才能获得高效,舒适和安全的设计。

第二,材料和制造的进步对于商业上成功的自行车可能是必要的。从我的立场来看,这有点困难,因为新材料和新技术使设计的进步成为可能,而这仅仅是以前未曾设想或发展的创造性想象的火花。但是人们愿意忍受不稳定的高轮设计这一事实向我表明,充气轮胎至关重要。在我看来,需要先进的金属加工技术来以可接受的价格制造出高质量,稳定质量的轻巧链条和齿轮,并且没有其他设计(例如皮带或杠杆)可以代替。对我来说,木制框架还不够轻巧,结实,无法实用(我今天当然不急于骑木制自行车)。

但是,我们可以更深入地提出这些问题,这些问题首先激发了我对这个问题的浓厚兴趣。为什么直到1800年代都没有人尝试过两轮车?而且,据我们所知,为什么没有人考虑直到1400年代的人力车辆问题?为什么在1300年代没有钟表匠的自行车修理工,或者至少在1500年代有钟表的自行车修理工?还是在古罗马人当中,谁建造了水磨和收割机?还是建立了Antikythera机制的希腊人?即使他们没有轮胎和链条,为什么这些社会至少没有尝试过葡萄干?甚至失败的车架设计?

为了甚至开始回答这个问题,我们必须意识到这是更广泛的现象的一部分。我问过同样的问题,那就是棉杜松子酒,这与自行车不需要高级材料不同:它是一个木箱,一个金属丝网和一个带有金属丝齿的鼓;实际上,它是如此简单,以至于一旦概念出台,种植园所有人就可以手工制作盗版副本(剥夺了Eli Whitney的大部分专利使用费)。对于纺织机械化的所有关键发明,可以提出相同的问题。经济历史学家安东·豪斯(Anton Howes)引用了上面链接的Twitter帖子,他提到约翰·凯(John Kay)的飞梭:

凯的创新之处在于其简单性。正如发明人Bennet Woodcroft所说的那样,“用普通的梭子进行编织已经“由数百万熟练的工人进行了长达五千年的历史,直到1733年都没有进行任何改进以加快操作速度”。凯只添加了一些木头和一些绳子。他将其应用于编织羊毛,从中世纪开始,编织羊毛就一直是英格兰的主要产业。他没有特殊的技能,不需要特殊的科学知识,并且没有特殊的动机去做科学。至于机构,从技术上讲,这是因为它节省了劳力,因此是非法的,竞争对手立即盗用了该专利,但收效甚微,而凯被迫搬到法国,被愤怒的织布工赶出该国,织布工威胁他的财产,甚至生活。凯没有面临任何特殊的激励措施-尽管有一些巨大的社会和法律障碍,他仍然进行了创新。

在其他故事中,还展示了早期发明的尝试,如果这个想法还没有完全可行,就找不到支持者,然后几十年就放弃了开发。理查德·特雷维西克(Richard Trevithick)早期尝试失败的机车试验就浮现在脑海。

有鉴于此,我认为最深层的解释是一般的经济和文化因素。关于经济因素,似乎需要一定程度的盈余,以支持创造发明的全文化研究和开发工作。请注意,卡尔·冯·德赖斯(Karl von Drais)是一位男爵,显然工作休闲,并且是在业余时间发明的。这在那个时代的研究人员中很常见:他们通常是贵族或以其他方式独立地富有的人(以及那些不必为获得富裕顾客的支持而争夺的人)。今天,我们在大学和公司中都有研究实验室,另外还有风险投资家为新产品和服务的开发提供资金。当很明显某种创新类型成为可能时,就会有多个团队投入资金并竭力将其推向市场。在创新时间表中不再存在数十年的差距,或者至少更少。

从需求方面的经济因素来看,过剩似乎也会为新产品创造市场。也许人均GDP必须达到某个水平,然后人们才有时间,精力和精力去思考新发明,而这些发明实际上并没有把食物放在桌子上,头顶上的屋顶或背上的衬衫上。

最后,还有文化因素。豪斯说:“创新不是人类本性,而是创新。 ……当人们不进行创新时,通常只是因为他们从未进行过创新。”同样,乔尔·莫基尔(Joel Mokyr)表示,“进步不是自然而然的”(他关于该主题的书《成长的文化》对这个博客的启发也很大)。我都同意。

充分阐明这些经济和文化因素是此博客的未来重大项目。

资料来源和进一步阅读:David V. Herlihy的自行车摘录,“骑自行车的人和Draisiennes的”,“谁发明了自行车?”,以及许多Wikipedia文章,包括“自行车的历史”。