为什么我们等了这么久的自行车？ （2019）

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”。