Почему мы так долго ждали изобретения велосипеда?

Перевод интересной статьи с экскурсом в историю велосипедостроения за авторством Jason Crawford: Велосипед, каким он известен нам сегодня, изобрели лишь в конце XIX века. Однако это было простое механическое изобретение. Казалось, оно не требует гениальных идей и уж точно никакой научной подготовки. Так почему же его не изобрели раньше?

Я задал этот вопрос в твиттере, почитал обсуждение этого вопроса на сервисе Quora. Среди множества предложенных гипотез были следующие:

• Технологические факторы. В XIX веке металлообработка совершила серьёзный рывок. Мы улучшили очистку железа, а потом и недорогой стали, научились лучше обрабатывать металл и делать такие детали, как полые трубки. Улучшилась технология изготовления колёс: колёса с проволочными спицами пришли на смену более тяжёлым вариантам; для шин требовалась вулканизированная резина (1839); надувные шины изобрели только в 1887 году. Цепи, звёздочки, подшипники – всё это необходимые детали, требовавшие передовых производственных технологий для улучшения их качества и уменьшения стоимости.
• Этапы развития проекта. Ранние велосипеды были неудобными и опасными. У первого варианта даже не было педалей. У некоторых моделей не было рулевого управления, поворачивать на них можно было только наклоном. Знаменитая схема пенни-фартинг с огромным передним колесом не давала возможности балансировать ногами, была подвержена опасности кувырка при резкой остановке, а седок сидел так высоко, что постоянно подвергался риску травмы. Десятилетия постепенных усовершенствований ушли на то, чтобы породить успешную модель велосипеда.
• Качество дорог. Вплоть до XIX века качество дорог по современным стандартам было ужасным. Часто это были грунтовки, с колеями от множества проезжавших экипажей, во время дождя превращавшиеся в грязь. Щебеночная дорога, делавшая поверхность гладкой, была изобретена только в 1820. Городские дороги в то время мостили булыжником, подходившим для лошадей, но слишком неровным для велосипедов. (Неровность дорог, по-видимому, была намеренной, и помогала в случае переполнения канализации – в итоге в одном из ответов на Quora утверждают, что дверь велосипедам открыла постройка городской канализации).
• Конкуренция со стороны лошадей. В то время лошади были распространённым и общепринятым транспортом. Они справлялись с любыми дорогами. Они могли перевозить тяжёлые грузы. Кому нужен велосипед? В данном случае заявляют, что велосипед изобрели в ответ на недостаток пищи из-за «года без лета» в 1816, случившегося из-за извержения вулкана Тамбора в предшествующем году, из-за чего небо потемнело, и температура во многих местах на Земле упала. Кризис сельского хозяйства привёл к голоданию как людей, так и лошадей, из-за чего многих лошадей убивали ради еды, а стоимость кормления оставшихся возросла. Это могло служить мотивацией к поиску альтернатив.
• Общий рост экономики. Многие комментаторы указали, что для спроса на подобное изобретение требуется наличие среднего класса. Если у вас есть только куча бедных крестьян и несколько аристократов (у которых и так уже есть лошади, экипажи и кучера), рынка для велосипедов не существует. И это правдоподобный вариант, если вспомнить, что велосипеды сначала служили для хобби и развлечений перед тем, как стать практическим средством передвижения.
• Культурные факторы. Возможно, в какой-то момент времени просто не было интереса к полезным механическим изобретениям? Но когда ситуация поменялась, и почему?

Все гипотезы хороши. Но некоторые из них начинают уступать под давлением анализа.

Качество дорог имеет отношение к вопросу, но не является ответом. На велосипеде можно ездить по грунтовке или тротуару (хотя последний вариант приводил к столкновениям с прохожим и сначала сделал велосипеды непопулярными среди публики). Исторически дороги не улучшались до тех пор, пока велосипеды не получил распространения – судя по всему, велосипедисты стали частью силы, потребовавшей улучшать дороги.

Не думаю, что дело и в лошадях. Велосипед, судя по прочтённому мною материалу, купить было проще, чем лошадь, и однозначно проще обслуживать (его, по крайней мере, не нужно кормить). Оказывается, что изобретатели заинтересовались проблемой средств передвижения, движимых мускульной силой, и позволяющих избавиться от лошадей, задолго до появления современного велосипеда. Даже Карл Дрез, изобретший первое двухколёсного средства передвижения на мускульной тяге после «года без лета», к тому времени работал над этой задачей уже много лет.

Мне кажутся более убедительными технологические факторы. Они, возможно, были необходимы для того, чтобы велосипеды стали достаточно практичными и недорогими для обретения популярности. Но для ранних экспериментов это не было важным. Рамы можно делать и из дерева. Колёса можно отделать металлом. Передач можно не делать. Цепи заменить ремнями; в некоторых ранних проектах педали были расположены на окружности колеса, а в одном проекте колёса вращались рычагами, как на паровозе.

Так какое же объяснение будет правильным?

Чтобы разобраться в этом, я углубился в историю велосипеда.

Концепция средства передвижения на мускульной тяге уходит вглубь веков. Первую отсылку к нему, из всех, что я нашёл, сделал венецианский инженер Джованни Фонтана, описавшего в начале XV века четырёхколёсную повозку, передвигаемую седоком, тянущим за верёвку, которая в виде петли соединена с шестернями на колёсах (неясно, пробовал ли он построить подобную машину; Фонтана вообще сделал кучу набросков странных вещей).

Ещё одну древнюю концепцию описывает в книге «Велосипед» Дэвид Херлихай:

Более трёх столетий назад знаменитый французский математик Жак Озанам описал теоретические преимущества повозки на мускульной тяге, в которой «человек может ехать по своему желанию без лошадей». Владелец такового средства передвижения мог бы свободно перемещаться по дорогам, не имея необходимости заботиться о животном, и наслаждаться в процессе физическими упражнениями. Более того, «самодвижущееся» средство передвижения такого типа, в отличие от машин, требующих ветра или пара, работали бы на наиболее доступном и обильном ресурсе из всех: силе воли. Но как построить такую ценную машину? Это была двадцать третья из порядка пятидесяти «полезных и увлекательных» проблем, определённых и описанных Озанамом в его знаменитой работе Récréations Mathématiques et Physiques, опубликованной в 1696 году.

В книге Озанама предлагалось решение от другого изобретателя: ещё одна четырёхколёсная повозка, приводимая в движение двумя людьми (один рулит, второй приводите её в движение, наступая на большие педали, соединённые верёвками, шкивами и шестернями).

Судя по всему, повозка столетиями служила моделью для средств передвижения на мускульной тяге. Различные изобретатели подступались к проектированию таких машин, и некоторые даже были построены. В лондонском журнале записана рекордный заезд такой повозки в 1774 году, достигшей скорости в 10 км/ч. Французский изобретатель Жан-Пьер Франсуа Бланшар (позже прославившийся, как пионер авиации и воздухоплавания), построил повозку на мускульной тяге, прошедшую 15 км от Парижа до Версаля. Американский механик Болтон в 1804 году построил свой вариант, использовавший вращение шестерёнок. Скорее всего, эти изобретения ни к чему не привели, поскольку машины оказались слишком большими и тяжёлыми для того, чтобы представлять практический интерес.

Дрезина 1820 года (по имени изобретателя, Дреза)

Ключевой идеей стала мысль о том, что необходимо перестать изобретать механическую повозку и создать что-то вроде механической лошади. По этому пути пошёл Карл Дрез в начале XIX века. Он был аристократом, занимавшим должность «управляющего лесом» в Бадене, что давало ему время на размышления и эксперименты. Первые свои попытки в 1813 году он направил на четырёхколёсные экипажи, как и его предшественники, и они точно так же не смогли привлечь интерес властей.

New-York Tribune, сентябрь 1894

Но в 1817 году (возможно, под влиянием продовольственного кризиса и дефицита лошадей, хотя это не точно), он вновь подступился к этой идее, уже с новым проектом: двухколёсный транспорт, рассчитанный на одного человека, в котором легко можно узнать предка современного велосипеда. Он был сделан из дерева и имел железные шины. Изобретатель назвал его Laufmaschine, «бегущая машина»; у него не было педалей, и седоку нужно было отталкиваться от земли ногами. Его также называли «велосипед» от латинского «быстрая нога», или «дрезина» в честь изобретателя; улучшенная версия, созданная лондонским производителем повозок, стала известна в Англии, как «пешеходный экипаж» [pedestrian curricle].

Не имея педалей и шестерней, этот прото-велосипед не мог достигать скорости и эффективности современных. Однако на манер существующих и сегодня самокатов, он позволял человеку ехать по дороге, в особенности под горку, и держал вес седока. Дрез достигал на нём скорости до 19 км/ч. Изобретение было преходящим увлечением в Европе 1818-19 годов, а затем пошло на спад. Судя по всему, причинами спада были потенциальная небезопасность и раздражение людей из-за того, что на этих штуках пытались кататься по тротуарам и в парках (некоторые вещи никогда не меняются; сегодня самокатные войны разгораются с новой силой).

«Костотряс» Пьера Мишо, 1870

Следующий ключевой прорыв произошёл только несколько десятилетий спустя, когда кто-то додумался приделать велосипеду педали. На счёт первого изобретателя существуют противоречивые сведения (уходящие корнями вплоть до 1839), однако во Франции 1860-х педали уже однозначно были. В любом случае, именно в 1860-х годах разработка велосипедов началась по-настоящему. Педали позволяли ездоку ездить быстрее и более эффективно. Такую модель производили во Франции, сначала с деревянной рамой, а потом со стальной, и её стали называть «костотрясом» (из чего можно сделать вывод о качестве поездки на ней).

«Американский велосипед», гравюра, 1868

Однако в тот момент у велосипеда ещё не было шестерней или цепей. Педали крепились непосредственно на переднем колесе. Это не давало ездоку серьёзных механических преимуществ: это было то же самое, что фиксированная передача в соотношении 1:1 (сегодня в большинстве случаев используются передачи с соотношением 3:1). Это как ехать на велосипеде на самых нижних передачах – вы быстро крутите педали, но едете медленно.

Велосипед пенни-фартинг

Единственным решением было увеличение колеса, что привело к появлению в 1870 нелепого велосипеда «пенни-фартинг» или «высокое колесо», с огромным передним колесом, который вы наверняка видели, и ассоциируете с концом XIX века. К тому времени велосипеды делали с металлической рамой, колёсами с проволочными спицами и резиновыми (пока ещё не надувными) шинами. Такая схема позволяла ехать быстрее и более плавно, поскольку большое колесо лучше амортизировало при езде. Однако она требовала акробатического мастерства, была подвержена падениям и травмам, включая кувырок через переднее колесо при резкой остановке.

Третьим, и итоговым ключевым прорывом, таким образом, стало разделение педалей и колеса. Варианты такого «безопасного велосипеда», среди которых был, по крайней мере, один вариант с педалями на колесе и рычагами, появлялись ещё в 1870-х, а может и ранее. Первой коммерчески успешной моделью, использовавшей знакомую схему коленчатого рычага и цепи, стала модель 1885 года Джона Старли. Наконец, в 1888 году Джон Данлоп представил надувные (пневматические) шины, которые сделали поездку более мягкой и устранили последнее преимущество схемы пенни-фартинг.

Так что к концу 1880-х велосипеды пришли к той форме, которая известна нам и сегодня, с примерно равными по размеру колёсами, педалями, цепью, металлической рамой, колёсами с проволочными спицами, и надувными резиновыми шинами.

Какой вывод можно сделать?

Во-первых, правильная схема не была очевидной. Много столетий прогресс буксовал из-за того, что изобретатели пытались создать четырёхколёсные повозки на несколько человек, вместо двухколёсного индивидуального транспорта. Неясно, почему это было так; естественно, изобретатели копировали существовавший транспорт, но почему они черпали вдохновение только у повозки, запряжённой лошадьми, а не у наездника и лошади? (Некоторые комментаторы считают, что возможность балансировать на двухколёсном транспорте не была очевидной, однако меня это не убеждает, учитывая, на каком количестве странных вещей люди научились балансировать, от выдолбленных каноэ до самих лошадей.) Возможно (но это чистые размышления), что ранним изобретателям было тяжелее понять фундаментальную непрактичность механических повозок, поскольку у них не было под рукой математических инженерных принципов, однако тогда всё равно непонятно, что привело Дреза к его прорыву.

И даже после того, как Дрез наткнулся на двухколёсную схему, она потребовала нескольких этапов усовершенствования, занявших несколько десятилетий, чтобы в итоге прийти к эффективной, удобной и безопасной форме.

Ранние модели велосипедов, из немецкой энциклопедии 1887 года

Во-вторых, вероятно, для создания коммерчески успешного велосипеда был необходим прогресс в материалах и производстве. Довольно сложно сегодня решить, какие прорывы в дизайне велосипеда стали возможными из-за появления новых материалов и технологий, а какие стали просто результатами проблесков инновации, до которых не додумывались ранее. Но то, что люди готовы были мириться с ненадёжной схемой с большими колёсами, говорит о том, что надувные колёса были критической инновацией. Также мне кажется разумной мысль, что для изготовления небольших и лёгких цепей и звёздочек высокого и постоянного качества по доступной цене требовались прорывы в металлообработке – и что никакая другая схема, с рычагами или ремнями, не сработала бы. Также звучит логично, что деревянные рамы были недостаточно лёгкими и прочными для практического применения (сегодня я бы точно не стремился ездить на деревянном велосипеде).

Однако можно пойти дальше, и задать вопросы, вдохновившие меня на изучение этой темы. Почему никто даже не экспериментировал с двухколёсным транспортом до XIX века? Почему никто, насколько нам известно, даже теоретически не рассматривал идею транспорта на мускульной тяге до XV века? Почему велосипедную механику не придумали в XIV веке, когда уже существовали часовщики, или хотя бы в XVI, когда появились наручные часы? Или у древних римлян, строивших водяные мельницы и машины для сбора урожая? Или у греков, создавших антикитерский механизм? Даже если бы у них не было цепей и шин, почему эти общества хотя бы не экспериментировали с дрезинами? Или даже с неудачными схемами четырёхколёсных повозок?

Чтобы хоть как-то начать отвечать на эти вопросы, стоит понять, что эти факты являются частью более широкого явления. Я задавал те же вопросы по поводу коттон-джина, первой эффективной хлопкоочистительной машины, которой, в отличие от велосипеда, не требовалось каких-то особых материалов: это деревянная коробка, проволочная сетка и барабан с проволочными зубцами; она была настолько простой, что после опубликования концепции плантаторы делали её пиратские копии самостоятельно (лишив Илая Уитни большей части патентных отчислений). Тот же вопрос можно задать касаемо всех ключевых изобретений в текстильной механизации; Антон Хоуэс, историк экономики, подключился к дискуссии в твиттере, упомянув о ткацком «летающем» челноке Джона Кея:

Инновация Кея была выдающейся в своей простоте. Как писал изобретатель Беннет Вудкрофт, люди ткали при помощи обычного челнока «более пяти тысяч лет, этим занимались миллионы опытных рабочих, и никаких усовершенствований для ускорения работы не было предпринято вплоть до 1733». Кей добавил немножко дерева и несколько верёвок. И он применил всё это к изготовлению шерстяных тканей, к главной индустрии Англии со Средних веков. У него не было особого опыта, ему не нужно было разбираться в научной стороне процесса, у него не было каких-то особых стимулов к этому. Что касается самой идеи, то летающий челнок считался незаконным, поскольку экономил труд, патент был сразу же скопирован конкурентами, и Кею пришлось эмигрировать во Францию под напором разгневанных ткачей, угрожавших его имуществу и даже жизни. У Кея не просто не было стимулов, он изобретал вопреки пугающим социальным и законным препятствиям.

Есть и другие истории, где сначала были продемонстрированы попытки изобрести что-то новое, но идея не получала последователей, если она не была полностью оформившейся, после чего её развитие останавливалось на десятилетия. На ум приходят неудачные эксперименты Ричарда Тревитика с паровозами.

В свете сказанного, думаю, что главными факторами являются экономическая и культурная обстановка в целом. Экономические факторы порождают необходимость в добавочной стоимости, поддерживающую общекультурные исследования и разработки, порождающие изобретения. Карл Дрез был бароном на синекуре, и занимался изобретательством в свободное время. В ту эру это было распространённым явлением для изобретателей: часто они были аристократами или имели другой независимый доход (а остальным приходилось искать поддержки богатых спонсоров). Сегодня в университетах и корпорациях существуют исследовательские лаборатории, а венчурные инвесторы финансируют разработки новых продуктов и услуг. Как только становится понятной возможность определённой инновации, несколько команд соревнуются в попытках вывести её на рынок. Не существует десятилетних провалов в графике изобретений, или таковых гораздо меньше.

Экономические факторы спроса и добавочной стоимости также создают рынки для новых продуктов. Возможно ВВП на душу населения должен достичь определённой величины перед тем, как у людей появится время, свободное внимание и энергия задумываться о новых изобретениях, не связанных с добыванием еды, одежды и обеспечением крыши над головой.

Есть и культурные факторы. Хоуэс говорит, что «инновация не присуща человеку, но принимается, как данность. Люди не занимаются изобретательством часто потому, что им не приходит это в голову». Джоэл Мокир вторит ему, что «прогресс не является чем-то естественным». И я согласен с ними в этом.

Источник