自行車源流

自行車是人類最機智和簡潔的發明，也是奧運會上唯一用輪子代替腳步的競賽項目。百年來，這種“一個三角加兩個圓圈”的坐騎凝聚了無數人的聰明才智，今天的自行車在場地賽中追風逐電，在公路賽中各展英姿，在越野賽中踏平坎坷，在小輪車競賽中絕技百出。自行車家族實在稱得上是體育運動中的泱泱大族了！

那些形貌怪異，幼稚原始的自行車“古董”也許會讓人啞然失笑，但它們是現代自行車的往昔和童年。1817年，德國人德萊斯制造出既無傳動也無轉向裝置的“木馬輪”，這種號稱“快腳”的玩具是自行車最早的雛形。1861年，法國米邵父子發明的“虎頭蛇尾”的自行車曾風行歐洲，雙腳每當踩動一小圈，巨型的前輪就旋轉一大圈，因此獲得很高的速度。但由于重心太高安全性差而終遭淘汰。1869年法國人發明了鏈條傳動，使得自行車兩輪勻稱，重心降低，基本框架和形制漸漸確定了下來(圖1)。

(1) 早期自行車

現代奧運會誕生的年代正是自行車的“黃金歲月”，美國早期公路改善的主要推動力是自行車的普及，萊特兄弟發明飛機顯然也得益于身為自行車生產商所積累的機械知識，法國早期電影中的頻繁出現的自行車顯示了它們的普及程度，而據說愛因斯坦正是在騎自行車時產生了“相對論”的靈感。人類社會很早就認同了“自行車文化”，第一屆奧運會上自行車成為競賽項目是順理成章的(圖2)。

(2) 騎自行車成為一種“潮流”

自行車只有兩個輪子卻可以不倒，其中的道理曾引起人們長期的推究。這是一個可控制運動的穩定問題。當我們在車身傾斜時將車把轉向同側，而“人車重心”的慣性力卻繼續向前，便和前輪支撐點之間產生力矩，將自行車“扶直”。即使車速很慢時也能起到不斷調整支撐面的作用，讓前后輪接地點的連線始終處于自行車重心之下，動態抵消它的傾翻力矩。這很像來回挪動手掌讓上面直立的掃帚保持平衡。另一方面，“陀螺效應”讓一切旋轉物體都傾向于保持原有旋轉軸不變。伸出右手，如果四指表示轉動方向，旋轉軸便會在大拇指方向儲存相應的角動量。有人設計過一個有趣的實驗，將自行車輪子安在“彎月形”底座的支架上，結果顯示只有車輪快速轉動才能維持支架的穩定平衡（圖3）。

(3) 慣性力和前輪支撐點之間產生力矩將自行車“扶直”

自行車在空氣中的阻力和速度的平方成正比。測試表明，當車速度上升到每秒11米時，空氣阻力便占前進總阻力的80%。而最有效的措施是減少“人-車系統”在前進方向上的截面積。身體蜷伏、臀部高蹺、背部平直的騎行姿勢能大大減少空氣阻力，“羊角把”的設計便是為了成全這種姿勢。至于斜躺式自行車，雖然符合空氣動力學原理并創造過更好成績，但由于幾乎變成了另一種運動而最終沒有被國際自行車聯所承認。

如何在確保自行車“鐵三角”穩定強固的前提下減輕重量，這是設計者們持久的課題。鋁合金取代鋼鐵是一大進步，鈦金屬則是強度和重量比最好的材料。而更輕更強的碳纖維能夠讓設計者像一個“巧裁縫”，按照車架不同部位受力差異來調理碳纖維的分布方向。

1992年巴塞羅那奧運會自行車比賽中，鮑德曼為英國隊奪得72年來的第一塊金牌，他坐下那輛價值連城的全碳素自行車總重量還不到9公斤。除了重量輕，鮑德曼的坐騎最引人注目之處還包括沒有輻條的碟形車輪。其實人類最初發明的輪子就是一塊圓形木板，為了減輕重量才創造了輻條。但在前進中，車輪上部的速度是車速的２倍，高速旋轉的每根輻條都會產生小的氣流漩渦給行進帶來阻力。難怪運動員抱怨說輻條簡直像一個“攪蛋器”了。現代超輕型材料使輻板車輪成為可能，并能將空氣阻力降低5%（圖4）。

(4) 車輪上部的速度是車速的2倍

自行車輪胎同樣大有講究。我們知道，即使火車在鐵軌上行進，車輪和軌道的接觸點也要發生相應的彈性形變。自行車同樣靠車胎壓扁后和道路的接觸面積來承擔負荷。公路賽車的車胎寬度不足1英寸，打足氣后行駛在堅實平坦的地面上，摩擦力和空氣阻力都能減少到最低限度。但山地車為了適應不規則的粗糙地面和跨越坑洼溝坎，就必須用較寬和布滿結節的輪胎實現和地面的良好接觸并產生有效驅動力了。

自行車的力量傳動通過一系列的“輪軸”來完成。輪軸實質上就是以軸心為支點的連續旋轉杠桿。腳蹬和牙盤構成了“省力輪軸”，后輪和飛輪構成了“費力輪軸”。多組變速齒輪的靈活切換能讓自行車運動員在不同環境狀況下選擇最合適的蹬車頻率。上坡時可以每蹬兩圈讓輪子轉一圈，平地時可以每蹬一圈讓輪子轉兩圈。要想知道省力和用力的效能，只要數一數飛輪上的齒和牙盤上的齒，就能通過除法計算出傳動比了（圖5）。

(5) 腳蹬和牙盤構成了“省力輪軸”，后輪和飛輪構成了“費力輪軸”

當一隊自行車選手不即不離、銜尾相隨時，我們不由想到南飛的雁群在天空排成的“一”字和“人”字。大自然讓這些聰明的鳥兒更早懂得了空氣動力學并知道如何在長途遷徙中節約體能。場地賽和公路賽中，尾隨的選手如果待在領騎者背后的渦流里，空氣阻力就會明顯減少。有趣的是，后面的選手因為削弱了渦流效應，能使得前面運動員也因此受益，減少所承受的壓差阻力。這就是為什么兩位選手成雙成對接踵而行要比一位選手孤騎獨蹤的速度更快。不過盡管有“雙贏效果”，先行者仍會付出更多消耗（圖6）。

(6) 跟隨的選手騎行中能減少空氣阻力

隨著自行車競賽的速度接近極限，人們便越來越從細微末節處挖掘點滴效能了。用有限元分析法將自行車分解為上萬個單元，通過“虛擬風洞”優選出部件;把自行車的管材截面從圓形改成橢圓或水滴型;讓剎車線和變速線乃至每處螺栓、螺母都隱藏在車身內;特別由于輪圈和輪胎遠離軸心，具有最大的轉動慣量，因此除了盡可能減輕重量還需將胎內的壓縮空氣換為氦氣……任何銖積寸累都值得珍惜，計算表明，自行車在每小時30英里速度下，只要將阻力削減1%，就能每英里領先5英尺。這是一個足以決定奪取金牌還是名落孫山的數值！

2008年北京奧運會傳來的一大喜訊，便是小輪車首次被列入正式競賽項目。這種20世紀70年代才在美國加州年輕人中風行的“變種”自行車輪子直徑為20英寸，以簡便、輕巧、靈活、抗震、耐摔而著稱。獨特的車把能旋轉360度，前后輪兩旁還可安裝稱為“火箭筒”的金屬管，為各種花樣動作提供落腳點。小輪車之所以便于操縱，因為它的尺寸大小和人的運動器官比例相匹配，十分符合人體工程學原理，高明的騎手能充分達到“人車合一”的境界，讓小輪車成為器官的延伸甚至身體的一部分。生物學家曾長期困惑于大自然為什么沒有進化出輪子，小輪車的問世也許可以算一種補償。這個充滿冒險犯難精神的平民化車種進入奧運殿堂，為日益貴族化的古老自行車家族增添了青春活力和時代氣息。也將更多更復雜的力學關系引進了自行車運動領域。2005年1月5日，倫敦科學博物館恭請18歲的小輪車高手華萊士表演了物理學家澤斯基精密設計的“愛因斯坦空翻”，用這個連人帶車騰空翻轉360度的極限動作揭開了愛因斯坦年的序幕（圖7）。

(7) 圖組:小輪車表演為英國2005愛因斯坦年拉開序幕

曾經有統計顯示以騎自行車為工作常態的郵遞員平均壽命最長。而用科學的尺度來衡量，在任何機械和生物的運動包括人的步行中，自行車的高效和節能都是無可比擬的。健身，怡情，節能，環保，奧運會為推動自行車全球普及所發揮的特殊作用，集中體現了崇高的奧林匹克精神（圖8）。

(8) 每人每公里消耗卡路里