浅析自行车与力学的关系

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摘要　自行车是一种很常见的交通工具，很多学生每天都使用它。但事实上我们并不很了解它的结构和原理等。笔者做了一些研究，以了解一些原则的机制，也是为了丰富物理方面的知识。通过实验和查询信息之后我掌握了其中的一些奥秘。

关键词　自行车　摩擦　杠杆　压力和压强　弹性

中图分类号：O311 文献标识码：A

1　车型构造

从整个车身来看，自行车的骨架采用了三角形结构，此结构具有稳定性，不易变形，并运用了空心管材料，既坚固轻便又美观大方。车身下方有大小不同的两链盘。后轮轴心处一般安有一脚撑，停放车时可助车斜立起来。

车的前后各有一轮胎，前轮与车头相连，用于控制方向；后轮与后链盘相连，骑车时是全车的驱动轮。以前两车轮的轮圈是钢制的，现在一些自行车改用铝合金做轮圈，与钢相比，铝合金既不易生锈，又减轻了车身的重量，更耐用。

2　研究出关于自行车的力学问题

2.1　摩擦力

2.1.1　起动力作用的摩擦

自行车两车轮上都安有左右两刹车皮，小组成员通过查阅资料得知：刹车皮是采用动磨擦因数很大的橡胶制成；而且为了增大摩擦力，刹车皮上都有一些花纹（小组成员通过实验证明了这一点）。当人刹车时，刹车皮紧紧压在钢圈上，由f（最大静摩擦力）=　F（压力），采用具有很大动摩擦因数的刹车皮与钢圈接触，当N增大时，使得摩擦力迅速增大，轮胎由相对地面的滚动变为滑动，由于滑动摩擦力远大于滚动摩擦力，实现了使车及时停下来。但由牛顿第一定律（即惯性定律）可知，由于车原先具有一定的速度，所以刹车后仍会向前运动一段距离。

车的手把、踏板和外胎的设计原理与刹车皮相仿。车外胎、手把一般也采用有花纹的橡胶制成，手把的设计使骑车的人能更好地握紧车头而更安全地控制车向。踏板一般采用有粗糙花纹的塑料制成。那为什么踏板要用塑料制而不是更为粗糙的橡胶呢？这是因为橡胶质软，虽然在相同条件下其最大静摩擦力一般远远大于塑料，但无法支撑脚对它的压力而发生形变。所以，要采用比较坚硬的塑料。

当人骑在自行车上时，通过脚踏板连接车链使后链盘转动，带动后轮转动，此时，自行车后轮是主动轮　，它表面与地面接触的各个部分在与地面接触的瞬间都有一个相对于地面向后运动的趋势，因此，后轮受到地面一个向前的静摩擦力，这个力推动整辆自行车向前运动，这个力就是自行车的主动力。

2.1.2　起阻碍作用的摩擦

当人骑在自行车上时，自行车除了后轮受到地面向前的摩擦力外，前轮还同时受到地面的阻力。就是前轮相对于地面向前运动时，地面对前轮有一个向后的摩擦力，阻碍车向前运动，这时，该摩擦力就起了阻碍作用。

在上述过程中，自行车的前后两轮还同时受到地面的阻力，这是自行车相对于地面向前运动时，地面会给予车一个向后的滚动摩擦力（车胎充满气时），阻碍车向前运动，车要向前运动，就必须克服这个滑动摩擦力。当车胎内气体不充足时，胎内气体压强小于外界大气压强，由P=F/S得，F（压力）一定，而P（压强）减小，车胎与地面的接触面S增大，使原来两车轮的滚动变为滑动，地面对两车胎的摩擦力变为更大的阻碍车向前运动的滑动摩擦力，增大了人骑车前进的困难，所以自行车地车胎要充足气。

2.2　杠杆

自行车的车头是转向装置，它采用T字型结构，既显得美观又有实用价值。它是一个省力杠杆，由FL=F'L'（动力锥Ρ？阻力鬃枇Ρ郏芍绞职鸭涞木嗬朐酱螅蜃渌璧牧υ叫。飧隽μ蠡蛱《蓟崾谷四岩钥刂品较颍伊绞职鸭涞木嗬胩蠡崾谷怂鄄皇娣虼耍绞职鸭涞木嗬胍话阌爰缤恚庋杓萍缺阌诳刂品较颍质谷怂凼媸省？

同样，刹车手把也是一省力杠杆，刹车把安在手把的前方或下方，便于刹车。它经过钢丝与刹车皮相连，刹车手柄比自行车手略短，它是杠杆的动力臂，当人手捏刹车柄时，刹车柄拉动钢丝，钢丝具有向上拉力，此拉力在钢丝另一端分解为拉动车轮左右两刹车皮的斜向上拉力，经轴承使两刹车皮在左右两个方向同时压在车轮轮圈上，达到刹车的目的。

2.3　压力与压强

脚踏板一般表面积都比较大，那它为什么要有大的面积呢？对于这个问题，小组成员回忆起初中学过的知识，得出了结论：由P=F/S可得，当人以相同的力F踩脚踏板时，面积S增大，则脚踏板对人脚底的压强P减小了，使人在骑车时不至于脚底产生疼痛感。

车座也一样，车座的面积大一些，可以增加人与车座的接触面积，减小车座对人的压强，使臀部不会疼痛。

2.4　弹簧与弹力

自行车的车座下面安有弹簧，坐垫一般用泡沫、海绵、皮料制成。这样的设计使车座具有避震作用。当自行车行驶到凹凸不平的路面时，人随着车起伏上下震动，弹簧的弹力增加了人与坐垫的接触时间。小组成员又通过上网查询资料，得到了冲量公式I=Ft（I为震动冲量，F为两物体接触力，t为接触时间）。当震动中冲量I不变，接触时间t增长，则人与坐垫的接触力F减小，起到了缓冲的作用。所以，如果没有这样设计，人坐在车上就会被震得更厉害，这也是坐在后架上的人臀部总比坐在车座上的人痛的原因。

装有避震器的山地车也是根据这个原理在车头和车身装上了弹簧，使其避震效果得到加强。

而车轮之所以要用充气的轮胎，是用空气阻隔了钢圈与地面的接触，同时又采用富有弹性的橡胶胎做自行车的内胎，都是为了达到避震的效果，这也是车胎要充足气但又不能过饱满的另一原因。

2.5　滑轮

自行车后轮的运转就是根据滑轮的原理设计的。人脚踩脚踏板时带动前链盘转动，前链盘又通过链条带动后链盘转动，前后链盘转动的角速度相同，后链盘又带动后轮转动，则链盘与后轮的角速度相等，但后轮的半径远大于链盘半径，由此后轮线速度增大，提高了车速。

有变速器的自行车其变速器也是运用了滑轮的原理。变速器是通过改变前后链盘半径之比来改变车的车速的。当骑车者要更快的车速时，就调节变速器，使链条挂到半径更大的前链盘上，或使链条挂到半径更小的后链盘上，从而增大了前链盘半径比后链盘半径的值。当人在相同的时间踩脚踏板使前链盘转动一圈，后轮在这段时间内会转动很多圈，从而提高车的行驶速度，但这样自行车骑起来会非常费力而如果把车速调到较小时，车骑起来会非常轻松。也就是说，当车要通过一定的距离时，若人脚用力大，则脚转动的距离小；反之，则脚转动的距离大。这符合物理定律：滑轮不能省功（省力费距离，省距离费力）。

3　总结

时代在发展，科学无处不在。就连我们日常生活中“简简单单”的一辆自行车也包含着并不简单的科学理论。通过这次的研究性学习，笔者弄清了一些关于自行车的问题，如自行车的动力原来是地面对轮胎的静摩擦力、变速器虽能加速但不能省功、车胎必须充满气的原因等。同时，这次的研究性学习丰富了我的知识，扩展了我的知识面，也培养了我的问题意识，增强了我对事物的探索欲望。

参考文献

[1]　刘延珠.自行车的受控运动[J].力学与实践，1995.17（4）.

[2]　朱欣志.两轮车的稳定性分析与控制研究[D].西北工业大学学报，2003.5.