自行車中的物理原理

自行車作為普及的代步和運載工具，在它的身上體現(xiàn)著各種物理學(xué)原理、運用了許多力學(xué)知識。

1．自行車與摩擦力

騎在自行車上，由于人和自行車對地面有壓力，輪胎和地面之間不光滑，因此自行車與路面之間有摩擦。自行車為何能前進？這是依靠后輪與地面之間的摩擦而產(chǎn)生的，這個摩擦力的方向是向前的。那前輪的摩擦力是干什么的？是阻礙車的運動，其方向與自行車前進方向相反。正是這兩個力大小相等，方向相反，所以自行車做勻速運動。不過，當人們在地上推著自行車前進時，前輪和后輪的摩擦力方向都向后，與這兩處的力平衡的是腳對地面的摩擦力。

自行車與地面之間摩擦力的大小與兩個因素有關(guān)：自行車對地面的壓力和車胎與地面接觸面的粗糙程度。壓力越大，摩擦力越大；接觸面越粗糙，摩擦力越大。自行車外胎上制有凸凹不平的花紋，就是通過加大自行車與地面接觸的粗糙程度來增大摩擦力，其目的是為了防止自行車打滑（失速），（見圖5－5）。

圖5－5　騎行中自行車接地點摩擦力分析

剎車用的閘皮分別固定在前輪叉架和后輪車架上。利用手閘剎車時，閘皮與車圈間的摩擦力會阻礙輪的轉(zhuǎn)動。剎車手閘的握力越大，閘皮對車圈的壓力就越大，產(chǎn)生的摩擦力也就越大，輪就轉(zhuǎn)動得越慢。如果完全剎死（即前、后車輪不再轉(zhuǎn)動），這時車輪與地面之間的摩擦就由滾動摩擦變?yōu)榛瑒幽Σ?。對于運動中的自行車來說，摩擦力的方向向后，阻礙了自行車的運動，因此就會逐漸停下來。

在自行車的部件上，除了車胎外，還有很多有粗糙表面的部分，如車把手塑料套、蹬板套、閘把套等。它們的作用都是為了利用滑動摩擦以增大摩擦。例如，在剎車的同時，手用力握緊手閘把，就需要增加摩擦力。

快速行駛的自行車，如果突然把前輪剎住，后輪會跳起來。這是因為前輪受到阻力而突然停止運動，但車子前輪著地部分以外的部分沒有直接受到阻力，這個人車系統(tǒng)在向前做慣性運動，并以著地點為中心形成一個力矩，人和后輪要保持繼續(xù)向前的運動狀態(tài)，所以后輪會跳起來。所以，下坡或高速行駛時，不能單獨用自行車的前閘剎車，得首先剎車的后輪，緊接著同時剎車的前、后輪，否則就會出現(xiàn)翻車事故。

2．省力原理和結(jié)構(gòu)

人造的運動物體有些時候（部位）需要增加摩擦力，而在另外一些時候（部位）卻需要減小摩擦力。在自行車的前軸、中軸、后軸、車把轉(zhuǎn)動處、腳蹬轉(zhuǎn)動處都安裝有鋼珠，就是為了減小摩擦以提高能量的轉(zhuǎn)換效率。

人們騎自行車總是希望輕松、靈活、省力。用滾動代替滑動就可以大大地減小摩擦力，因此要在自行車轉(zhuǎn)動的地方安裝鋼珠。我們可以經(jīng)常加潤滑油，使接觸面彼此離開，這樣就可以使摩擦力變得更小。

車的前軸、中軸及后軸均采用滾動以減小摩擦。為更進一步減小摩擦，還要經(jīng)常在這些部位加潤滑劑。

自行車上有很多地方運用了杠桿活力的原理，例如控制前輪轉(zhuǎn)向的杠桿：自行車的車把，是省力杠桿，人們用很小的力就能轉(zhuǎn)動自行車前輪，來控制自行車的運動方向和保持自行車的平衡。

車把上的手閘閘把與連桿是一個省力杠桿系統(tǒng)，人們用很小的力就能使車閘以較大的壓力壓到車輪的鋼圈上。

利用受力輪盤半徑的不同比例，可以組成若干活力的組件或部件。例如，在自行車中軸上的腳蹬和花盤齒輪組成省力輪軸（腳蹬半徑大于花盤齒輪半徑），在手把與前叉軸處組成省力輪軸（手把轉(zhuǎn)動的半徑大于前叉軸的半徑），在后軸上的齒輪和后輪處組成費力輪軸（齒輪半徑小于后輪半徑）。

在自行車上還體現(xiàn)著功、機械能的知識運用。

根據(jù)做功原理：省力必定費距離。因此，人們在上坡時常騎“S”形路線。當騎車上坡前，人們往往要加緊蹬幾下，就容易上去，這里是動能轉(zhuǎn)化為勢能。騎車下坡時，不用蹬，車速也越來越大，勢能轉(zhuǎn)化為動能。為了安全，若坡度較大，下坡時甚至需要使用車閘上的調(diào)節(jié)，則勢能的一部分通過摩擦就轉(zhuǎn)化成了熱能。

3．自行車上的其他物理學(xué)原理

可以說，在自行車的所有部分和結(jié)構(gòu)上都充分使用了物理學(xué)的各種原理，以達到最大的使用效果。除了以上關(guān)于摩擦力的運用實例外，下面再舉幾例。

自行車的坐墊呈馬鞍形，與人騎行時的胯部形狀相適應(yīng)，能夠增大坐墊與人體的接觸面積以減小臀部所受壓強，使人騎車時不易感到疲勞。車的坐墊下安有許多根彈簧，利用它的緩沖作用可以減小自行車因地面不平而造成的上下振動。彈簧吸收了大部分振動能量（機械能變?yōu)闊崮埽瑐鬟f到人身上的振動能量就大為減少，不至于在長期騎行過程中感到過分疲勞。

自行車的內(nèi)胎需要充氣。早期的各種輪子都是木輪、鐵輪，顛簸不已，噪聲也大。現(xiàn)代自行車使用充氣內(nèi)胎和帶花紋的硬橡膠外胎，內(nèi)胎充氣后可以增加彈性，減小振動，表面粗糙的外胎可以增加與地面的摩擦力，以高效地將人力轉(zhuǎn)換為前進的動力和速度。

充氣內(nèi)胎上的氣門芯，在胎內(nèi)充氣后產(chǎn)生內(nèi)、外氣壓差時起著單向閥門的作用，充進胎內(nèi)的空氣不容易外泄。橡膠皮管在車內(nèi)胎氣體壓力的作用下緊緊包裹在氣門芯的外壁上，能讓壓力更大的打氣筒內(nèi)的氣體進入，阻止內(nèi)部的氣體外漏。如果自行車車載過重，則車胎受到的壓強大于橡膠內(nèi)、外胎所能承受的強度，車胎就會被壓破。

自行車瓦圈斷面經(jīng)精心設(shè)計可以增加其強度（見圖5－6）。

圖5－6　山地自行車瓦圈斷面結(jié)構(gòu)

自行車上還利用了光學(xué)原理。自行車上的紅色尾燈，不能自行發(fā)光，但是到了晚上卻可以引起汽車司機的注意。因為自行車的尾燈是由很多蜂窩狀的“小室”構(gòu)成的，而每一個“小室”是由三個約成90°的反射面組成的。這樣在晚上時，當后面汽車的燈光射到自行車尾燈上，就會產(chǎn)生反射光。紅色非常醒目，就可以引起司機的注意（見圖5－7）。

圖5－7　自行車尾燈反光原理

此外，了解自行車結(jié)構(gòu)的某些尺寸對于生活也是有益的。例如，在測量騎行距離或測量路面長度時，可借助自行車。普通車輪的直徑為0．71米（俗稱28自行車的輪徑）或0．66米（俗稱26自行車的輪徑），那么轉(zhuǎn)過一圈長度為直徑乘圓周率π，即約2．23米或2．07米，再考慮各鏈輪直徑之間的比例關(guān)系，大約腳踏輪每轉(zhuǎn)動一圈，28自行車可走過5米。根據(jù)這樣的數(shù)據(jù)，就可以“估量”地面長度或行程了。

看來，設(shè)計一輛結(jié)構(gòu)合理、力學(xué)性能優(yōu)良、騎行舒適、質(zhì)量可靠、維修方便的自行車，真的需要很多物理知識。