Призраки на двух колесах: почему ни да Винчи, ни крепостной Артамонов не изобретали велосипед, а физики 140 лет спорят, почему он не падает

История техники полна мифов, но мало какой из них сравнится по живучести с легендой о происхождении велосипеда. Каждый уважающий себя народ в конце XIX — начале XX века считал делом чести присвоить себе лавры создателя простейшего транспорта. Итальянцы нашли эскиз в рукописях Леонардо да Винчи, французы вспомнили графа де Сиврака, а российская историография возвела в ранг гения крепостного мастерового Ефима Артамонова. Реальность оказалась прозаичнее и интереснее: настоящий велосипед родился не от озарения гения, а от климатической катастрофы и массового падежа лошадей. А вот почему эта конструкция не падает на ходу, физики не могут объяснить до сих пор, ломая голову над дифференциальными уравнениями уже полтора столетия.

Уральский самородок, которого не было

В 1896 году в Петербурге вышла книга «Исторический очерк уральских горных заводов». Ее автор, кандидат прав и управляющий конторой Демидовых Василий Белов, между делом обронил фразу, которая определит отечественную историческую мысль почти на сто лет вперед. Он написал: «Во время коронования императора Павла, следовательно в 1801 г., мастеровой уральских заводов Артамонов бегал на изобретенном им велосипеде, за что по повелению императора получил свободу со всем потомством».

Уже здесь зияют грубые нестыковки. Павел I короновался 5 апреля 1797 года, а в 1801-м коронацию принимал его сын Александр I. Белов не ссылается на архивные документы — вероятнее всего, он пересказывает услышанный где-то заводской фольклор.

В 1910 году картограф Иван Кривощеков в «Словаре Верхотурского уезда» аккуратно исправил императора, не утруждая себя поиском первоисточников. В 1940-х годах к легенде подключился историк Виктор Данилевский, а в период борьбы с космополитизмом миф начал обрастать невероятными подробностями. В 1954 году в биографическом словаре свердловского профессора Анатолия Козлова у Артамонова внезапно появились имя-отчество — Ефим Михеевич — и даты жизни (1776–1841).

Пикового состояния абсурд достиг в трудах пермского краеведа Александра Шарца в 1960-х годах. По его данным, Артамонов, помимо велосипеда, изобрел паровую самоходную коляску (прототип автомобиля) и насос для откачки воды. Шарц утверждал, что изобретатель совершил велопробег с Урала в Пермь — 560 километров — всего за четыре дня, с 9 по 13 мая 1801 года. Согласно его данным, крепостной мастеровой мчался по весеннему уральскому бездорожью на металлическом «костотрясе». Простой арифметический подсчет показывает: чтобы проехать 560 километров за четыре дня, Артамонов должен был находиться в непрерывном движении по 10–11 часов в сутки, развивая скорость не менее 140 километров в день. На тяжелом пенни-фартинге без асфальта это физически невозможно.

Но главным доказательством подделки стал сам экспонат. С 1922 года в Нижнетагильском историко-революционном музее хранился «тот самый велосипед Артамонова» — двухколесная цельнометаллическая машина. В 1980-х годах историк Григорий Лист указал на подозрительное сходство тагильского экспоната с английским «пауком» 1880 года. Сотрудники музея Татьяна Комшилова и Сергей Клат провели металлографическую экспертизу образца металла. Анализ показал: сталь выплавлена в мартеновской печи на кислом поду. Первая такая печь на Нижнетагильских заводах была пущена только в 1876 году. Инженер-металлург Вениамин Довгопол постановил: имеющийся образец изготовлен из мартеновского металла не ранее 70-х годов XIX века. Нижнетагильский «велосипед Артамонова» — обычный пенни-фартинг кустарной сборки.

Миф, тем не менее, оказался на удивление живуч. В своих объяснениях Шарц ссылался на таинственное «дело № 37» и «картотеку № 35», хранившиеся у краеведа Александра Черданцева. Позже выяснилось, что картотека таинственно исчезла из Свердловского музея, а Шарц возвращать ее отказался. Никаких рапортов пермского губернатора Модераха о проезде самокатчика не существовало в природе, как и могилы Артамонова в Суксуне.

У легенды была лишь реальная историческая база, которую перепутали. В Нижнем Тагиле действительно жил крепостной механик Егор Кузнецов. В 1801 году он преподнес императору Александру I «музыкальные дрожки» со встроенным органчиком и колокольчиком-верстомером. За это император выкупил Кузнецова и его племянника Артамона у Демидовых и даровал им вольную. Скорее всего, Белов просто сплел воедино историю освобождения крепостного и слухи о самокате.

Итальянский след и французский граф

С итальянцами вышло еще изящнее. В 1974 году филолог Аугусто Маринони объявил, что в Codex Atlanticus Леонардо да Винчи найден эскиз велосипеда с цепным приводом, педалями и рулем. Итальянская национальная гордость ликовала. Но в 1997 году историк Ханс-Эдвард Лессинг методично разнес эту находку, доказав, что перед нами поздняя фальсификация.

Лист рукописи был склеен в XVI веке, а разъединять его начали в 1960-х годах монахи в монастыре Гроттаферрата. Искусствовед Карло Педретти, изучавший листы на просвет в 1961 году, записал в блокноте, что на обратной стороне видит только два круга и геометрические линии. Велосипеда не было. Цепная передача, похожая на велосипедную, была обнаружена в 1967 году в Мадридских кодексах Леонардо. Фальсификатор, работавший между 1967 и 1974 годами, просто дорисовал велосипед, используя существующие круги как колеса и позаимствовав цепь из нашумевших мировых публикаций. Чернила, которыми нарисован велосипед, не оставили отпечатка на противоположной стороне листа, хотя за 500 лет следы от непристойных рисунков ученика на соседних страницах отпечатались исправно.

Французам было проще. Журналист Луи Бодри де Сонье в 1891 году, через два десятилетия после унизительного поражения во франко-прусской войне, просто выдумал графа Меде де Сиврака. Граф якобы в 1790 году построил «целерифер» — деревянную беговую машину без руля. Позже выяснилось, что реальный Жан-Анри Сьеврак в 1817 году запатентовал конную повозку. Но в музеях Франции до сих пор выставляют «копии целерифера», срисованные со страниц газет конца XIX века.

Карл Дрез и год без лета

Истинный создатель велосипеда — немецкий барон Карл фон Дрез. И сделал он это не от хорошей жизни. В 1815 году вулкан Тамбора в Индонезии выбросил в атмосферу 100 кубических миль пепла. 1816 год вошел в историю как «год без лета»: в Европе и Северной Америке шел снег в июле, урожаи погибли, начался голод.

Главной жертвой климатической катастрофы стали лошади. Овес взлетел в цене, кормить животных стало нечем, и они массово погибали от истощения. Транспортная система Европы рухнула. Дрез, профессор механики из Карлсруэ, попытался решить проблему радикально: заменить конную тягу человеческой.

Сначала он строил четырехколесные экипажи с педалями и зубчатыми колесами, но они были тяжелыми и неповоротливыми. В 1817 году Дрез урезал количество колес до двух, снизив трение качения. Так появилась «беговая машина» (Laufmaschine) — деревянная рама из ясеня весом 20 килограммов, два колеса в одной плоскости и руль. Педалей не было — ездок отталкивался ногами от земли. 12 июня 1817 года Дрез проехал 8 миль по лучшей дороге Бадена между Мангеймом и Шветцингеном за час. Человек без лошади оказался быстрее, чем с ней.

Изобретение запатентовали во Франции и Бадене, но копировать его начали по всей Европе. Но дороги были слишком разбиты, а тротуары заняты пешеходами. Велосипеды начали запрещать в Милане, Лондоне, Нью-Йорке и Калькутте. К 1820-м годам мода прошла, и о Дрезе забыли. Он поддержал революцию 1848 года, за что лишился пенсии и аристократического титула, и умер в нищете в 1851 году. Его враги постарались стереть его имя из истории.

Но именно его «беговая машина» дала старт эволюции: к 1860-м годам во Франции к переднему колесу прикрутили педали, появились «костотрясы», затем гигантские пенни-фартинги, а в 1885 году Джон Кемп Старли представил «Скитальца» (Rover) — велосипед с цепным приводом на заднее колесо, ставший эталоном для всех современных моделей.

Физика парадокса: почему велосипед не падает

Велосипед — эволюционный конструкт, созданный методом проб и ошибок, а не результат инженерного расчета. Ирония в том, что физики до сих пор не могут полностью описать, почему он не падает.

Если катнуть пустой велосипед, он проедет несколько десятков метров, прежде чем упасть. Он сам стабилизирует себя. 140 лет объяснить это пытались двумя факторами.

Первый — гироскопический эффект. Вращающиеся колеса работают как юла. Если велосипед наклоняется, переднее колесо из-за прецессии поворачивается в сторону падения, и центробежная сила выравнивает конструкцию. Эту теорию поддерживали светила физики Феликс Клейн и Арнольд Зоммерфельд.

Второй фактор — «трейл» (trail) — расстояние от точки контакта колеса с землей до пересечения оси рулевой колонки с поверхностью. У велосипеда передняя вилка изогнута вперед, создавая эффект тележечного колесика (кастор): колесо само стремится занять положение позади точки опоры. Физик Дэвид Джонс в 1970 году в журнале Physics Today заявил, что именно трейл — основа устойчивости, построив несколько «неудобоваримых» велосипедов для проверки гипотез.

Разрушение догм

В 2011 году журнал Science опубликовал исследование группы Аренда Шваба из Делфтского технического университета. Исследователи построили велосипед, у которого не было ни гироскопического эффекта, ни трейла.

«Двухмассовая скейт-машина» (Two-Mass-Skate, TMS) представляла собой конструкцию из двух легких алюминиевых колес, которые не создавали гироскопического момента (спереди стояло контрвращающееся колесо, полностью гасящее момент), а ось рулевой колонки была спроектирована так, чтобы трейл стал отрицательным (–4 мм).

И этот монстр оставался самостабильным. На скорости выше 2,3 м/с велосипед, получивший боковой толчок, выравнивался сам. Математическая модель с 25 параметрами, разработанная командой, показала: гироскопический эффект и трейл помогают, но не являются необходимыми.

Ключ к устойчивости оказался в распределении масс. Чтобы велосипед был стабильным, его рулевое управление должно быть «нестабильным»: если велосипед начинает падать влево, руль должен упасть влево еще быстрее. Это достигается за счет расположения центра масс переднего узла. Именно геометрия масс заставляет систему поворачивать в сторону падения.

Велосипед ускользает от примитивных механических аналогий. Полная система дифференциальных уравнений для велосипеда с жесткой рамой и катящимся без проскальзывания колесом была выведена еще в 1899 году Фрэнсисом Уипплом. Это уравнения четвертого порядка, решения которых дают сложные экспоненциальные функции. Физики умеют их решать, но интуитивное понимание того, как массы и геометрия взаимодействуют в динамике, все еще ускользает от простых объяснений.

Мы катаемся на аппарате, который придуман от отчаяния в условиях глобальной климатической катастрофы, доведен до ума слепой эволюцией рынка, а его базовая динамика так сложна, что не поддается исчерпывающему анализу. И пока каждая страна ищет своего мифического Артамонова или де Сиврака, чтобы приписать себе заслугу, велосипед спокойно продолжает держать равновесие на законах, которые мы только начинаем осознавать.

Ну конечно