自行车中的物理知识

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【摘要】自行车是我们日常生活中一种普遍的交通工具，常见的有普通载重自行车、轻便自行车、山地自行车、童车、赛车、电动自行车等，它结构简单，方便实用，本文分别介绍自行车的有关原理和其中涉及到的相关物理知识。

【关键词】自行车 物理知识 物理原理

中国是自行车王国，自行车是最普及的代步工具，与我们生活息息相关，中学生与自行车结下不解之缘，谈起骑自行车或许我们都会，但要指出其中的物理知识未必人人都能做到。为了正确了解这些问题，也为了更好的将物理知识运用到日常生活中，本人从以下几个方面介绍自行车。

1.自行车的有关原理

1.1 车体设计原理。

A：手把连接前轮的转向机制是轮轴的运用，一般女装车手把大多比较宽，就是因为把“轮”的半径加大，可以更省力，骑起来很优雅。

B：剎车把手是一个简单的杠杆，使用者用很小的力就可对剎车片产生很大的压力。

C：前剎片是利用摩擦力使车轮减速，同时在接地点产生向后的摩擦力来使车体减速.以前轮夹式剎车和传统后轮轴心的盘式剎车来比较，对同样大小的剎车压力而言，前者因力臂较长，会比后者有较大的力矩，效果较佳。

D：接地的轮胎也是靠摩擦力使车子前进，剎车也是同样道理。

E：轮轴中央用滚珠轴承加黄油来减少摩擦，提高传动效率。

F：踏板是轮轴的运用。

G：前后齿轮是利用链条传动的齿轮系统，因为前大后小，所以费力而省时，可以把车子加速到很快。

H：后齿轮传动给后轮是一种作用力施在轴上的轮轴系统。

I：有些座垫下方是以弹簧为避震器，是弹簧在日常生活中除了做为弹簧秤外，另一大用途。

J：新型自行车有些装上油压避震器，是帕斯卡原理的运用。

1.2 为何自行车刚骑动时手把会不自觉转动。

自行车基本上是两点着地，骑动时可以不倒下是因为两轮滚动时产生水平方向的角动量；当车子几乎静止时角动量消失了，质心要通过底座（人和车体在地面的投影）的机会非常少，不可避免就要倒下，此时若转动手把就会产生垂直方向的角动量，使车子保持平衡，这点和飞盘转动时可以保持平稳飞行有异曲同工之妙，但因为转动不是很完整，方向又一再改变，所以一般不能撑很久。

1.3 变速原理。

设前齿轮半径a、后齿轮半径b，a/b的比值愈大，可以愈省力，但省力一定较费时，所以车骑得不快，一般在起动时会把a/b调小一点，比较容易克服最大静摩擦力，之后再把比值变大。一辆十段变速的自行车有两个不同半径的前轮，后面有五个，以共有十种组合。

1.4 剎车原理。

从运动学的角度来看，急剎车车子可能向前翻倒。先考虑前轮剎死的情形：此时以前轮着地点为支点，因车子有向前的惯性（人车的质心明显在支点右上方），很容易有向前翻的情形发生；那后轮剎车的情形又如何呢？如果后轮剎死了车子的惯性一样向前，但此时前轮对地面的压力会增大，相对减少后轮的下压力，所以翻车的机会较少，当然若是向前的惯性实在太大，车子一样会以前轮为支点旋转而使后轮会上跷。

综合以上可知：自行车最好不要单独剎前轮，若只有一个剎车系统应装在后轮，当然两轮一起剎车最理想。不论用那一轮剎车，前轮的下压力一定会增大，后轮的一定减少，所以前轮的剎车摩擦力比后轮的大。所以在机车或汽车上，效果较佳（当然也较贵）的碟式剎车装在前轮，后轮再装鼓式剎车，此即常在汽车广告中听到的“前碟后鼓”，但注意使用的前提是前后剎车一定同时作用，以免翻车。

2.自行车中的物理知识

图1和图2是两种常见的自行车，在其中涉及到很多物理知识，包括杠杆、轮轴、摩擦、压强、能量的转化等力学、热学及光学知识，下面具体来分析一下。

2.1 力学知识。

2.1.1 摩擦方面。

（1）自行车车轮胎、车把套、脚踏板以及刹车块处均刻有一些花纹，增大接触面粗糙程度，增大摩擦力；

（2）车轴处经常上一些油，以减小接触面粗糙程度，来减小摩擦力；

（3）所有车轴处均有滚珠，变滑动摩擦为滚动摩擦，来减小摩擦，转动方便；

（4）刹车时，需要纂紧刹车把，以增大刹车块与车圈之间的压力，从而增大摩擦力；

（5）紧蹬自行车前进时，后轮受到的摩擦力方向向前，是自行车前进的动力，前轮受到的摩擦力方向向后，是自行车前进的阻力；自行车靠惯性前进时，前后轮受到的摩擦力方向均向后，这两个力均是自行车前进的阻力。

2.1.2 压强方面。

（1）一般情况下，充足气的自行车轮胎着地面积大约为S=2×10cm×5cm=100×cm2，当一普通的成年人骑自行车前进时，自行车对地面的压力大约为F=（500N+150N）=650N，可以计算出自行车对地面的压强为6.5×104Pa；

（2）在车轴拧螺母处要加一个垫圈，来增大受力面积，减小压强；

（3）自行车的脚踏板做得扁而平，来增大受力面积，以减小它对脚的压强；

（4）自行车的内胎要充够足量的气体，在气体的体积、温度一定时，气体的质量越大，压强越大；

（5）自行车的车座做得扁而平，来增大受力面积，以减小它对身体的压强。

2.1.3 轮轴方面。

（1）自行车的车把相当于一个轮轴，车把相当于轮，前轴为轴，是一个省力杠杆，如图3所示；

（3）自行车的飞轮也相当于一个省力的轮轴。

2.1.4 杠杆方面：自行车的刹车把相当于一个省力杠杆。

2.1.5 惯性方面。

（1）当人骑自行车前进时，停止蹬自行车后，自行车仍然向前走，是由于它有惯性；

（2）当人骑自行车前进时，若遇到紧急情况，一般情况下要先捏紧后刹车，然后再捏紧前刹车，或者前后一起捏紧，这样做是为了防止人由于惯性而向前飞出去。

2.1.6 能量转化方面。

（1）当人骑自行车下坡时，速度越来越快，是由于下坡时人和自行车的重力势能转化为人和自行车的动能；

（2）当人骑自行车上坡之前要紧蹬几下，目的是增大速度，来增大人和自行车的动能，这样上坡时动能转化为重力势能，能上得更高一些；

（3）如图4所示，自行车的车梯上挂有一个弹簧，在它弹起时，弹簧的弹性势能转化为动能，车梯自动弹起。

2.1.7 声学方面：自行车的金属车钤发声是由于铃盖在不停的振动，而汽笛发声是由于汽笛内的气体不断的振动而引起的。

2.1.8 齿轮传动方面：线速度和角速度的关系，如图5所示，设齿轮边缘的线速度为v ，齿轮的半径为R，齿轮转动的角速度为ω，则有v = ωR.

2.2 热学知识。

在夏天自行车轮胎内的气体不能充得太足，是为了防止自行车爆胎，因为对于质量、体积一定的气体，当温度越高，压强越大，当压强达到一定程度时，若超过了轮胎的承受能力，就会发生爆胎的情况。

2.3 光学知识。

在日常生活中，自行车的后面都装有一个反光镜，它的设计很巧妙，组成如图6所示，它是由三个相互垂直的平面镜组成一个立体直角，用其内表面作为反射面，这叫角反射器。当有光线从任意角度射向尾灯时，它都能把光“反向射回”，当光线射向反光镜时，会使后面的人很容易看到。在夜间，当汽车灯光照到它前方的自行车尾灯上，无论入射方向如何，反射光都能反射到汽车上，其光强远大于一般的漫反射光，就如发光的红灯，足以让汽车的司机观察到。

2.4 电学方面。

在有些自行车上装有小型的发电装置，它利用摩擦转动，就像我们在实验室中看到的手摇发电机一样，发出的电能供给车灯工作，起到一定的照明作用。

参考文献

[1] 骑行网、.