自行车中的物理原理的分析介绍

自行车中的物理原理

自行车作为普及的代步和运载工具，在它的身上体现着各种物理学原理、运用了许多力学知识。

1．自行车与摩擦力

骑在自行车上，由于人和自行车对地面有压力，轮胎和地面之间不光滑，因此自行车与路面之间有摩擦。自行车为何能前进？这是依靠后轮与地面之间的摩擦而产生的，这个摩擦力的方向是向前的。那前轮的摩擦力是干什么的？是阻碍车的运动，其方向与自行车前进方向相反。正是这两个力大小相等，方向相反，所以自行车做匀速运动。不过，当人们在地上推着自行车前进时，前轮和后轮的摩擦力方向都向后，与这两处的力平衡的是脚对地面的摩擦力。

自行车与地面之间摩擦力的大小与两个因素有关：自行车对地面的压力和车胎与地面接触面的粗糙程度。压力越大，摩擦力越大；接触面越粗糙，摩擦力越大。自行车外胎上制有凸凹不平的花纹，就是通过加大自行车与地面接触的粗糙程度来增大摩擦力，其目的是为了防止自行车打滑（失速），（见图5－5）。

图5－5　骑行中自行车接地点摩擦力分析

刹车用的闸皮分别固定在前轮叉架和后轮车架上。利用手闸刹车时，闸皮与车圈间的摩擦力会阻碍轮的转动。刹车手闸的握力越大，闸皮对车圈的压力就越大，产生的摩擦力也就越大，轮就转动得越慢。如果完全刹死（即前、后车轮不再转动），这时车轮与地面之间的摩擦就由滚动摩擦变为滑动摩擦。对于运动中的自行车来说，摩擦力的方向向后，阻碍了自行车的运动，因此就会逐渐停下来。

在自行车的部件上，除了车胎外，还有很多有粗糙表面的部分，如车把手塑料套、蹬板套、闸把套等。它们的作用都是为了利用滑动摩擦以增大摩擦。例如，在刹车的同时，手用力握紧手闸把，就需要增加摩擦力。

快速行驶的自行车，如果突然把前轮刹住，后轮会跳起来。这是因为前轮受到阻力而突然停止运动，但车子前轮着地部分以外的部分没有直接受到阻力，这个人车系统在向前做惯性运动，并以着地点为中心形成一个力矩，人和后轮要保持继续向前的运动状态，所以后轮会跳起来。所以，下坡或高速行驶时，不能单独用自行车的前闸刹车，得首先刹车的后轮，紧接着同时刹车的前、后轮，否则就会出现翻车事故。

2．省力原理和结构

人造的运动物体有些时候（部位）需要增加摩擦力，而在另外一些时候（部位）却需要减小摩擦力。在自行车的前轴、中轴、后轴、车把转动处、脚蹬转动处都安装有钢珠，就是为了减小摩擦以提高能量的转换效率。

人们骑自行车总是希望轻松、灵活、省力。用滚动代替滑动就可以大大地减小摩擦力，因此要在自行车转动的地方安装钢珠。我们可以经常加润滑油，使接触面彼此离开，这样就可以使摩擦力变得更小。

车的前轴、中轴及后轴均采用滚动以减小摩擦。为更进一步减小摩擦，还要经常在这些部位加润滑剂。

自行车上有很多地方运用了杠杆活力的原理，例如控制前轮转向的杠杆：自行车的车把，是省力杠杆，人们用很小的力就能转动自行车前轮，来控制自行车的运动方向和保持自行车的平衡。

车把上的手闸闸把与连杆是一个省力杠杆系统，人们用很小的力就能使车闸以较大的压力压到车轮的钢圈上。

利用受力轮盘半径的不同比例，可以组成若干活力的组件或部件。例如，在自行车中轴上的脚蹬和花盘齿轮组成省力轮轴（脚蹬半径大于花盘齿轮半径），在手把与前叉轴处组成省力轮轴（手把转动的半径大于前叉轴的半径），在后轴上的齿轮和后轮处组成费力轮轴（齿轮半径小于后轮半径）。

在自行车上还体现着功、机械能的知识运用。

根据做功原理：省力必定费距离。因此，人们在上坡时常骑“S”形路线。当骑车上坡前，人们往往要加紧蹬几下，就容易上去，这里是动能转化为势能。骑车下坡时，不用蹬，车速也越来越大，势能转化为动能。为了安全，若坡度较大，下坡时甚至需要使用车闸上的调节，则势能的一部分通过摩擦就转化成了热能。

3．自行车上的其他物理学原理

可以说，在自行车的所有部分和结构上都充分使用了物理学的各种原理，以达到最大的使用效果。除了以上关于摩擦力的运用实例外，下面再举几例。

自行车的坐垫呈马鞍形，与人骑行时的胯部形状相适应，能够增大坐垫与人体的接触面积以减小臀部所受压强，使人骑车时不易感到疲劳。车的坐垫下安有许多根弹簧，利用它的缓冲作用可以减小自行车因地面不平而造成的上下振动。弹簧吸收了大部分振动能量（机械能变为热能），传递到人身上的振动能量就大为减少，不至于在长期骑行过程中感到过分疲劳。

自行车的内胎需要充气。早期的各种轮子都是木轮、铁轮，颠簸不已，噪声也大。现代自行车使用充气内胎和带花纹的硬橡胶外胎，内胎充气后可以增加弹性，减小振动，表面粗糙的外胎可以增加与地面的摩擦力，以高效地将人力转换为前进的动力和速度。

充气内胎上的气门芯，在胎内充气后产生内、外气压差时起着单向阀门的作用，充进胎内的空气不容易外泄。橡胶皮管在车内胎气体压力的作用下紧紧包裹在气门芯的外壁上，能让压力更大的打气筒内的气体进入，阻止内部的气体外漏。如果自行车车载过重，则车胎受到的压强大于橡胶内、外胎所能承受的强度，车胎就会被压破。

自行车瓦圈断面经精心设计可以增加其强度（见图5－6）。

图5－6　山地自行车瓦圈断面结构

自行车上还利用了光学原理。自行车上的红色尾灯，不能自行发光，但是到了晚上却可以引起汽车司机的注意。因为自行车的尾灯是由很多蜂窝状的“小室”构成的，而每一个“小室”是由三个约成90°的反射面组成的。这样在晚上时，当后面汽车的灯光射到自行车尾灯上，就会产生反射光。红色非常醒目，就可以引起司机的注意（见图5－7）。

图5－7　自行车尾灯反光原理

此外，了解自行车结构的某些尺寸对于生活也是有益的。例如，在测量骑行距离或测量路面长度时，可借助自行车。普通车轮的直径为0．71米（俗称28自行车的轮径）或0．66米（俗称26自行车的轮径），那么转过一圈长度为直径乘圆周率π，即约2．23米或2．07米，再考虑各链轮直径之间的比例关系，大约脚踏轮每转动一圈，28自行车可走过5米。根据这样的数据，就可以“估量”地面长度或行程了。

看来，设计一辆结构合理、力学性能优良、骑行舒适、质量可靠、维修方便的自行车，真的需要很多物理知识。