摘自《奥运中的科技之光》，赵致真著。经赵致真先生授权，科学松鼠会网络发布，转载请注明。

“自行车只有两个轮子却可以不倒，其中的道理曾引起人们长期的推究。这是一个可控制运动的稳定问题。”

自行车源流

自行车是人类最机智和简洁的发明，也是奥运会上唯一用轮子代替脚步的竞赛项目。百年来，这种“一个三角加两个圆圈”的坐骑凝聚了无数人的聪明才智，今天的自行车在场地赛中追风逐电，在公路赛中各展英姿，在越野赛中踏平坎坷，在小轮车竞赛中绝技百出。自行车家族实在称得上是体育运动中的泱泱大族了！

那些形貌怪异，幼稚原始的自行车“古董”也许会让人哑然失笑，但它们是现代自行车的往昔和童年。1817年，德国人德莱斯制造出既无传动也无转向装置的“木马轮”，这种号称“快脚”的玩具是自行车最早的雏形。1861年，法国米邵父子发明的“虎头蛇尾”的自行车曾风行欧洲，双脚每当踩动一小圈，巨型的前轮就旋转一大圈，因此获得很高的速度。但由于重心太高安全性差而终遭淘汰。1869年法国人发明了链条传动，使得自行车两轮匀称，重心降低，基本框架和形制渐渐确定了下来。

早期自行车

现代奥运会诞生的年代正是自行车的“黄金岁月”，美国早期公路改善的主要推动力是自行车的普及，莱特兄弟发明飞机显然也得益于身为自行车生产商所积累的机械知识，法国早期电影中的频繁出现的自行车显示了它们的普及程度，而据说爱因斯坦正是在骑自行车时产生了“相对论”的灵感。人类社会很早就认同了“自行车文化”，第一届奥运会上自行车成为竞赛项目是顺理成章的。

自行车只有两个轮子却可以不倒，其中的道理曾引起人们长期的推究。这是一个可控制运动的稳定问题。当我们在车身倾斜时将车把转向同侧，而“人车重心”的惯性力却继续向前，便和前轮支撑点之间产生力矩，将自行车“扶直”。即使车速很慢时也能起到不断调整支撑面的作用，让前后轮接地点的连线始终处于自行车重心之下，动态抵消它的倾翻力矩。这很像来回挪动手掌让上面直立的扫帚保持平衡。另一方面，“陀螺效应”让一切旋转物体都倾向于保持原有旋转轴不变。伸出右手，如果四指表示转动方向，旋转轴便会在大拇指方向储存相应的角动量。有人设计过一个有趣的实验，将自行车轮子安在“弯月形”底座的支架上，结果显示只有车轮快速转动才能维持支架的稳定平衡。

惯性力和前轮支撑点之间产生力矩将自行车“扶直”

自行车在空气中的阻力和速度的平方成正比。测试表明，当车速度上升到每秒11米时，空气阻力便占前进总阻力的80%。而最有效的措施是减少“人-车系统”在前进方向上的截面积。身体蜷伏、臀部高跷、背部平直的骑行姿势能大大减少空气阻力，“羊角把”的设计便是为了成全这种姿势。至于斜躺式自行车，虽然符合空气动力学原理并创造过更好成绩，但由于几乎变成了另一种运动而没有被国际自行车联所承认。

如何在确保自行车“铁三角”稳定强固的前提下减轻重量，这是设计者们持久的课题。铝合金取代钢铁是一大进步，钛金属则是强度和重量比最好的材料。而更轻更强的碳纤维能够让设计者像一个“巧裁缝”，按照车架不同部位受力差异来调理碳纤维的分布方向。

1992年巴塞罗那奥运会自行车比赛中，鲍德曼为英国队夺得72年来的第一块金牌，他坐下那辆价值连城的全碳素自行车总重量还不到9公斤。除了重量轻，鲍德曼的坐骑最引人注目之处还包括没有辐条的碟形车轮。其实人类最初发明的轮子就是一块圆形木板，为了减轻重量才创造了辐条。但在前进中，车轮上部的速度是车速的两倍，高速旋转的每根辐条都会产生小的气流漩涡给行进带来阻力。难怪运动员抱怨说辐条简直像一个“搅蛋器”了。现代超轻型材料使辐板车轮成为可能，并能将空气阻力降低5%。

车轮上部的速度是车速的2倍

自行车轮胎同样大有讲究。我们知道，即使火车在铁轨上行进，车轮和轨道的接触点也要发生相应的弹性形变。自行车同样靠车胎压扁后和道路的接触面积来承担负荷。公路赛车的车胎宽度不足一英寸，打足气后行驶在坚实平坦的地面上，摩擦力和空气阻力都能减少到最低限度。但山地车为了适应不规则的粗糙地面和跨越坑洼沟坎，就必须用较宽和布满结节的轮胎实现和地面的良好接触并产生有效驱动力了。

自行车的力量传动通过一系列的“轮轴”来完成。轮轴实质上就是以轴心为支点的连续旋转杠杆。脚蹬和牙盘构成了“省力轮轴”，后轮和飞轮构成了“费力轮轴”。多组变速齿轮的灵活切换能让自行车运动员在不同环境状况下选择最合适的蹬车频率。上坡时可以每蹬两圈让轮子转一圈，平地时可以每蹬一圈让轮子转两圈。要想知道省力和用力的效能，只要数一数飞轮上的齿和牙盘上的齿，就能通过除法计算出传动比了。

脚蹬和牙盘构成了“省力轮轴”，后轮和飞轮构成了“费力轮轴”

当一队自行车选手不即不离、衔尾相随时，我们不由想到南飞的雁群在天空排成的“一”字和“人”字。大自然让这些聪明的鸟儿更早懂得了空气动力学并知道如何在长途迁徙中节约体能。场地赛和公路赛中，尾随的选手如果待在领骑者背后的涡流里，空气阻力就会明显减少。有趣的是，后面的选手因为削弱了涡流效应，能使得前面运动员也因此受益，减少所承受的压差阻力。这就是为什么两位选手成双成对接踵而行要比一位选手孤骑独踪的速度更快。不过尽管有“双赢效果”，先行者仍会付出更多消耗。

跟随的选手骑行中能减少空气阻力

随着自行车竞赛的速度接近极限，人们便越来越从细微末节处挖掘点滴效能了。用有限元分析法将自行车分解为上万个单元，通过“虚拟风洞”优选出部件；把自行车的管材截面从圆形改成椭圆或水滴型；让刹车线和变速线乃至每处螺栓、螺母都隐藏在车身内；特别由于轮圈和轮胎远离轴心，具有最大的转动惯量，因此除了尽可能减轻重量还需将胎内的压缩空气换为氦气……任何铢积寸累都值得珍惜，计算表明，自行车在每小时30英里速度下，只要将阻力削减1%，就能每英里领先5英尺。这是一个足以决定夺取金牌还是名落孙山的数值！

2008年北京奥运会传来的一大喜讯，便是小轮车首次被列入正式竞赛项目。这种二十世纪七十年代才在美国加州年轻人中风行的“变种”自行车轮子直径为20英寸，以简便、轻巧、灵活、抗震、耐摔而著称。独特的车把能旋转360度，前后轮两旁还可安装称为“火箭筒”的金属管，为各种花样动作提供落脚点。小轮车之所以便于操纵，因为它的尺寸大小和人的运动器官比例相匹配，十分符合人体工程学原理，高明的骑手能充分达到“人车合一”的境界，让小轮车成为器官的延伸甚至身体的一部分。生物学家曾长期困惑于大自然为什么没有进化出轮子，小轮车的问世也许可以算一种补偿。这个充满冒险犯难精神的平民化车种进入奥运殿堂，为日益贵族化的古老自行车家族增添了青春活力和时代气息。也将更多更复杂的力学关系引进了自行车运动领域。2005年1月5日，伦敦科学博物馆恭请18岁的小轮车高手华莱士表演了物理学家泽斯基精密设计的“爱因斯坦空翻”，用这个连人带车腾空翻转360度的极限动作揭开了爱因斯坦年的序幕。

小轮车表演为英国2005爱因斯坦年拉开序幕

曾经有统计显示以骑自行车为工作常态的邮递员平均寿命最长。而用科学的尺度来衡量，在任何机械和生物的运动包括人的步行中，自行车的高效和节能都是无可比拟的。健身，怡情，节能，环保，奥运会为推动自行车全球普及所发挥的特殊作用，集中体现了崇高的奥林匹克精神。

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