自行車上的簡單機械

自行車是人類發明的最成功的人力機械之一，是由許多簡單機械組成的復雜機械.簡單機械包括杠桿、滑輪、輪軸和斜面，在自行車中主要運用的是杠桿和輪軸的知識.下面我們就來認識自行車上簡單機械.

一、自行車中的杠桿

1.自行車的閘把.如圖1-1所示為閘把未工作時的實物圖，當我們剎車時（如圖1-2），會抓住閘把的A點，施加動力，閘把將繞著O點轉動，并與固定部分分開.B處為剎車線，剎車線會對閘把施以阻力.將其簡化成杠桿示意圖，可以發現閘把的動力臂大于阻力臂，那它就是一個省力杠桿.人們用很小的力就能使車閘以比較大的壓力壓到車輪的鋼圈上，從而起到較好的剎車效果.

2.自行車制動系統中的閘鉗.如圖2-1所示為閘鉗的實物圖.當我們抓緊閘把（如圖2-2），剎車線將拉動A點，對于閘鉗來說是動力，閘鉗將繞O點轉動，剎車皮B將被壓在輪轂上，車輪對閘鉗的力為阻力.通過杠桿示意圖，我們不難發現，此時的動力臂也是大于阻力臂的，這個閘鉗也是一個省力杠桿.

3.自行車的支撐架.人們騎自行車到達目的地后，經常會把支撐架撐起，將車停放下來，而這個支撐架也是一個杠桿.如圖3所示，如果想把自行車停穩，我們在A點用力即為動力，彈簧的拉力為阻力，由圖可知，動力臂大于阻力臂，這個支撐架是一個省力杠桿，讓我們能更省力地將自行車停穩.

二、自行車中的輪軸

1．車把（如圖4-1）相當于一個輪軸（如圖4-2），車把相當于輪，前軸為軸，當我們想要改變行駛的方向時，會在車把上施加一個力，即在輪上施加動力，此時前軸對車把的力為阻力，作用在軸上，由于R大于r，動力就小于阻力，人們用很小的力就能轉動自行車前輪來控制自行車運動方向和平衡.

2.中軸上的腳蹬和花盤齒輪.如圖5-1所示，它們組成了簡單機械中的輪軸，腳蹬相當于輪，花盤齒輪相當于軸.圖5-2是腳蹬與花盤齒輪組成的輪軸示意圖.腳蹬（輪的半徑為R）花盤齒輪（軸的半徑為r），動力F1是人腳對腳蹬的作用力，作用在輪的邊緣上.阻力是鏈條對花盤齒輪的拉力，作用在軸的邊緣上.因為腳蹬半徑大于花盤齒輪的半徑，這個就是省力輪軸，也就是騎自行車感到省力的原因.

3.自行車后軸上的小齒輪和后輪（圖6-1）.圖6-2是后輪與小齒輪組成的輪軸示意圖.動力F1是鏈條對小齒輪（半徑為r）的拉力.阻力F2是后輪（半徑為R）前進時受到的阻力，作用在輪的邊緣上.由后輪的半徑大于小齒輪的半徑可知，這個就是費力輪軸.

但是由于小齒輪每轉一圈，后輪也轉一圈，而后輪的半徑遠大于齒輪的半徑，這就使小齒輪每轉一圈，后輪通過的距離增加了許多.又因為大齒輪轉動一圈，小齒輪要轉好幾圈.所以腳踏一圈，大齒輪轉一圈，這樣大大地增加了自行車通過的距離，這就是騎自行車快捷的原因.

其實自行車之所以這么快捷，還有一個很重要的原因，那就是前鏈輪和小齒輪（俗稱飛輪）的齒數比（圖7），我們以市場上較多的變速自行車為例.

例如，一輛普通自行車的車輪直徑為66cm.自行車上的“最低”齒數配比可以是前鏈輪22齒，后輪30齒.這意味著齒數比n為0.73比1.每蹬一圈，后輪將轉動0.73圈.也就是說，每蹬一圈，自行車將前進大約1.5m（s=πdn）；如果每分鐘蹬60圈，則速度約為5.4km／h.自行車上的“最高”齒數配比可以是前鏈輪44齒，后輪11齒.這時的齒數比為4比1.如果車輪直徑為66cm，則每蹬一圈自行車前進8.3m.如果每分鐘蹬60圈，自行車的速度將達到30km／h.如果將蹬車的速率加倍到每分鐘120圈，則自行車的最高速度可達60km／h.5.4km／h到60km／h是一個彈性很大的速度范圍，自行車可以非常緩慢地爬上陡峭山坡，也可以像汽車一樣風馳電掣！這就是自行車中齒輪的作用.

三、自行車上的摩擦

1.外胎：分軟邊胎和硬邊胎兩種.軟邊胎斷面較寬，能全部裹住內胎，著地面積比較大，能適宜多種道路行駛.硬邊胎自重輕，著地面積小，適宜在平坦的道路上行駛，具有阻力小、行駛輕快等優點.外胎上的花紋（圖8-1）是為了增加與地面的摩擦力.山地自行車的外胎寬度特別寬，花紋較深（圖8-2），也是為了適應凹凸不平的道路.

2.前軸、中軸及后軸：均采用滾動鋼珠（圖9），這些滾動鋼珠可以用滾動摩擦代替滑動摩擦以減小摩擦阻力，從而使人們在騎車時減小阻力.為更進一步減小摩擦，人們常在這些部位加潤滑劑.

3.車把：自行車車把一般刻有凹凸不平的花紋以增大摩擦，另外車外胎、蹬板套、閘把套等也是如此（圖10）.在剎車時，車輪不再滾動，而在地面上滑動，摩擦大大增加了，故車可以迅速停止.而在剎車的同時，手用力握緊閘把，增大剎車皮對鋼圈的壓力，以達到制止車輪滾動的目的.

四、自行車中的其他物理知識

1.自行車的車架（圖11）一般都采用普通碳素銅管，經過焊接、組合而成.為了減輕管重量，提高強度，較高檔的自行車還采用低合金鋼管制造.為了減少快速行駛時的阻力，有的自行車還采用流線型的鋼管.由于自行車是依靠人體自身的驅動力和騎車技能而行駛的，車架便成為承受自行車在行駛中所產生的沖擊載荷以及能否舒適、安全地運載人體的重要結構體，車架部件制造精度的優劣，將直接影響乘騎的安全、平穩和輕快.一般輻條是等徑的，為了減輕重力，也有制成兩端大、中間小的變徑輻條，還有為了減少空氣阻力將輻條制成扁流線型（圖12）.

2.為了使人座在座墊上舒服點，座墊呈馬鞍形（圖13），它能夠增大座墊與人體的接觸面積以減小臀部所受壓強，使人騎車不易感到疲勞.

自行車有很多種類，包括普通自行車、場地自行車、山地自行車、速降自行車、旅行自行車、越野自行車、折疊自行車等，這些自行車大體結構是一樣的，只是在某些部件上作出了改良，使之適合不同的場地，讓人們騎行更省力，更安全.