Из всех частей велосипеда ни одна не занимала так изобретателей, как шатун и его движение. Было сделано много попыток изобрести приспособление, сообщающее ноге иное движение, чем круговое.
Две цели преследовались главным образом: во-первых, увеличить плечо рычага, на которое опирается нога, и во-вторых, сократить длину пути, проходимого ногой.
Автор этой книги видел на выставке модель одного изобретателя, который пробовал разрешить вопрос об увеличении того плеча рычага, на которое давит нога, не увеличивая длины пути, проходимого ногой, приспособлением значительно более простым (по мнению изобретателя), чем изобретенные до сих пор сложные механизмы. (Этот шатун изображен на рис. 5.) С есть место прикрепления педали, положение махового колеса и цепи указаны пунктирными линиями. АС равно длине прямого шатуна.
Соображения изобретателя сводились к следующему. Во-первых: если длина части шатуна АВ будет больше длины всего шатуна (АС), то при помощи педали, прикрепленной в В, вращательная сила ноги может быть использована гораздо выгоднее. Но при этом ноге пришлось бы делать очень длинный путь, т.е. окружность радиуса АВ; поэтому рычаг ВС приделывается под острым углом к АВ, и педаль С может быть на обычном расстоянии от оси. Во-вторых угол ABC должен быть таким, чтобы, в то время как плечо АВ начинает наиболее важную часть пути, плечо ВС стояло вертикально, и поэтому давление ноги (в С) непосредственно могло бы передаваться в В, где оно вращало бы АВ с такой же силой, как если бы педаль была в В. Для людей, обладающих некоторой долей знания в механике или имеющих какие-либо практические сведения о механических приспособлениях, обманчивость этих утверждений вполне очевидна.
Большинству же следующее рассуждение покажет, что доводы изобретателя противоречат здравому человеческому смыслу Действие плеча рычага определяется его длиной, т.е. в этом случае расстоянием между осью шатуна и педалью. Форма плеча рычага не может влиять на действие силы, конечно, пока плечо достаточно прочно, чтобы не согнуться. Оно может быть совершенно прямым, как в простом велосипеде; оно может быть изогнуто в виде буквы Z, как это встречается в шатунах на станках странствующих точильщиков; или же оно может иметь вид круга, это часто бывает на кранах, с помощью которых подымают тяжести на борт парохода.
Рис.5. Ломаный шатун
Форма не играет никакой роли для плеча рычага, к которому приложена сила; длина его всегда равна расстоянию точки приложения силы (педали) от оси вращения. Посмотрим ломаный шатун нашего изобретателя. Благодаря тому, что он сделан из твердого металла, С всегда будет находиться на одном и том же расстоянии от А. Поэтому можно ввести твердое металлическое соединение АС, как это изображено линией D, действие, конечно, от этого не изменится. Отсюда мы можем удалить и части АВ и ВС, (CF и GE), и останется только EF (НК). Другими словами, прямой рычаг АС или НК будет иметь такое же действие, как обыкновенный ломаный шатун ABC, если предположить, что расстояние НК равно АС.
Доказав, что ABC можно заменить через АС, мы опровергли второе утверждение, что если применить ломанный шатун, мы лучше используем силу ноги, но все-таки рассмотрим подробнее и это обстоятельство. Угол LMN пусть будет равен углу ABC. Сила, приложенная в N, имеет вертикальное направление и передается в М посредством MN. Изобразим величину этой силы отрезком MN. Угол LNM прямой, так как LN лежит горизонтально. Здесь ошибка заключается в том, что изобретатель считает, что направление MN, к которому приложена эта сила, совпадает с направлением движения. На деле направление определяется линией МО и поэтому не вся сила, представленная отрезком MN, затрачивается на вращение.
Чтобы найти, какая часть силы будет использована, строят «параллелограмм сил», проводя через N прямые, параллельные МО и РМ. Тогда мы видим, что сила MN в М разлагается на две силы, из которых одна по величине и направлению изображается отрезком РМ и уничтожается давлением твердого шатуна, а другая изображается отрезком МО и затрачивается в М на вращение шатуна. Но МО, как катет прямоугольного треугольника, меньше гипотенузы MN\таким образом, изобретатель неправ, предполагая, что сила MN использована полностью. Теперь представим себе, что сила не переносится при помощи отрезка рычага MN из N в М, а представим себе, что, как это мы делали раньше, ломаный шатун заменен прямолинейным LN и к концу его N приложим силу MN тогда направление силы совпадет с направлением касательной, и сила (когда LN в горизонтальном направлении) будет использована целиком. Но теперь она приложена к более короткому плечу рычага LN, и потому мнимый выигрыш силы снова теряется. Будет ли давление ноги приложено в N к прямому шатуну LN или же оно передается в точку М плечу LM, оно в обоих случаях оказывает одинаковое действие; и безразлично, прилагается ли полная сила MN к более короткому плечу рычага или меньшая сила к более длинному плечу.
Несмотря на это, изобретатель, экспонировавший шатун, мог опубликовать благоприятные печатные отзывы людей, пользовавшихся ломаным шатуном, доказывающие, что при помощи подобного приспособления они получили при езде значительный выигрыш силы, так что им в некоторых случаях удавалось преодолеть такие крутые подъемы, справиться с которыми раньше они пытались совершенно безуспешно. Чем объяснить это противоречие? Отчасти можно тем, что условия во время опыта были исключительно благоприятны. Велосипед был, может быть, новым и более совершенным в других отношениях. Дороги, возможно, были более гладкими, чистыми и твердыми, чем обыкновенно. Ветер также мог быть более благоприятным, и на это могли не обратить достаточного внимания, или ездок как раз в это время был сильнее, чем прежде. Но более важное значение, чем все эти причины, имело душевное состояние ездока и влияние этого состояния на телесные силы. Он заинтересовался новым открытием, надеялся, что оно знаменует собой известный прогресс. Возможно, что он уже высказался в пользу открытия — по теоретическим соображениям; он надеялся, что оно окажется очень полезным, и старался оправдать свое мнение на практическом опыте. Воодушевленный всем этим, он был способен к более решительным и продолжительным усилиям, и благодаря этому взобрался на холм, который до тех пор был ему недоступен.
Влияние духа на тело известно, и этот случай есть лишь новый пример. Ездок не понимает, что причина, увеличившая его силы, имеет психологическую, а не механическую природу, а изобретатель пожинает плоды этого непонимания. Не стоит ему завидовать! Прибыль изобретателя в общем довольно ничтожна.