农奴阿尔塔摩诺夫的发明

图7.9　世界上第一辆自行车

世界上第一辆自行车(图7.9)是1800年俄国乌拉尔的一个农奴阿尔塔摩诺夫发明的。它的样子同现在的自行车大不相同,前轮很大,后轮很小,两个脚蹬子直接装在前轮的轴上。这个“怪物”震惊了沙皇和大臣们,沙皇问:“它只有两个轮子,为什么不倒呢?”当时很少有人能说出道理来。

实际上,这是一个重心问题。每个物体都要受地心引力的作用,都有一个垂直向下的重力,也就是平时说的重量。这个重力可以认为是集中在物体的某一点上,这个点就是物体的重心。

物体的重心同物体的稳定程度大有关系。不倒翁上轻下重,重心位置比较低,从重心垂直向下的重力作用线,总是落在它与地面的接触范围之内。所以不管怎么推它,它都不会倒,只摇晃几下。陀螺刚好相反,它与地面相接触的范围几乎只是一个点,从重心垂直向下的重力作用线很难正好落在这个点上。所以陀螺不旋转,很难叫它站住不倒。人要站稳也是一样,他的重力作用线必须落在两脚踩地的范围之内。人前跄的时候,重心向前倾,两腿必须紧紧跟上,不然便会摔倒。

骑自行车的时候,人和自行车成为一个整体,有一个共同的重心,要想不倒,也必须符合上述的要求。可是自行车的两个轮子与地面的接触范围几乎都是一个点,所以人与自行车共同重心垂直向下的重力作用线必须落在这两点连成的直线上,才能维持不倒。这是很不容易做到的。好在自行车的前叉向前延伸,转动又灵活,稍微一转动便能矫正重心的位置。如果重心偏向右侧,即将摔倒时,只要将车把稍稍往左一转,车轮与地面的接触线马上向左偏过来,重力作用线便会落在接触线的左侧,再将车把向右偏一点儿,就能保持车子平稳了。你看过“定车倒立”的杂技吗?演员把前轮稍稍偏向一边,与车身构成一个角度,然后一手握住车把,一手握住大梁或坐垫把身子倒立起来。因为只有这样,才能使接触线在一个三角区的范围内,并且随时进行调整,使重力作用线正好落在接触线上。技艺高超的演员如果不懂得物理学,是很难获得观众鼓掌的。你骑自行车时可能有这样的经验,车后带的东西越重骑起来越困难。为什么呢?道理很简单,这时候车轮与地面的接触线随着车把左右摆动,构成一个三角区,而人、车和东西作为一个整体,三者的共同重心落在三角区后部顶端,要随时调整就不大容易,走起来就不那么稳当了。

当自行车拐弯或跑圆圈的时候,情况复杂一些。这时候,人和车的共同重心偏向圆心的方向。但是掌握了重力、离心力和地面反作用力之间的相互关系,仍然可以使车平衡。