自行車如何運(yùn)動(dòng)

劉忻雨

自行車是生活中常見又環(huán)保的代步工具，在污染越來越嚴(yán)重的現(xiàn)代社會(huì)，自行車變得越來越流行。

小時(shí)候，爸爸媽媽帶我學(xué)騎自行車，我當(dāng)時(shí)的第一想法就是自行車的前輪和后輪為什么可以同時(shí)運(yùn)動(dòng)？動(dòng)力來源是什么？限于當(dāng)時(shí)的知識(shí)水平和理解能力，我一直沒能明白自行車運(yùn)動(dòng)的具體原理。隨著年齡的增長，自己學(xué)了力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等相關(guān)物理知識(shí)，便慢慢嘗試去解釋自己小時(shí)候的疑問。

通過分析得知，騎自行車時(shí)，腳踩腳踏，給腳踏施加一個(gè)外力，通過曲柄傳遞到鏈輪，鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，具有一個(gè)線速度V1和角速度ω1，通過鏈條把速度傳遞給飛輪，飛輪具有一個(gè)線速度V2和角速度ω2。由于飛輪和后輪由后軸固定在一起，所以后輪獲得一個(gè)線速度V3和角速度ω3。后輪獲得速度之后驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，前輪獲得一個(gè)線速度V3和角速度ω3（由于前輪和后輪直徑大小相等，因此前、后輪線速度和角速度大小相等）。

由于V=ωR（R是圓形輪子的直徑），在鏈條的作用下，鏈輪和飛輪的速度相等，即V1=V2，所以 ω1R1=ω2R2，而且R2ω1，所以我們?cè)隍T自行車時(shí)只需用腳輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)，就能讓飛輪獲得一個(gè)很大的角速度。有些自行車采用多級(jí)飛輪進(jìn)行變速，基本原理就是多個(gè)飛輪片半徑不同，導(dǎo)致R2、R1不同，進(jìn)而達(dá)到變速的目的。自行車由于飛輪和后輪通過后軸固定在一起，所以后輪和飛輪具有相同的角速度，即ω2=ω3，所以V2/R2=V3/R3，因?yàn)镽3>R2，所以V3>V2。

綜上所得，只需輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)鏈輪，就可以給自行車提供很大的速度。而且R2比R1小得越多，R2比R3小得越多，就會(huì)導(dǎo)致V3比V2大得越多，在鏈輪轉(zhuǎn)速相同的情況下，自行車獲得的速度就越大，所需要的外力也越來越大。

接下來分析自行車車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及動(dòng)力來源。由高中力學(xué)知識(shí)可知，摩擦力的方向和相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向相反，當(dāng)鏈輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過鏈條帶動(dòng)飛輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，飛輪通過后軸帶動(dòng)后輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)后輪相對(duì)地面向后運(yùn)動(dòng)，同時(shí)受到地面施加給它的一個(gè)向前的摩擦力F1，這個(gè)摩擦力是自行車運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來源，這也就解釋了為什么自行車能向前運(yùn)動(dòng)了。

如果地面太光滑，會(huì)導(dǎo)致摩擦力過小，此時(shí)自行車非常容易滑倒。我們平常在自行車輪胎上看到的凹凸不平的花紋，也是為了增大輪胎和地面的摩擦力而設(shè)計(jì)的。

在分析完后輪的受力方向之后，我們也能很容易對(duì)前輪的受力方向進(jìn)行分析了。前輪在后輪的作用下順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)前輪相對(duì)地面向前運(yùn)動(dòng)，受到地面對(duì)其向后的摩擦力F2，此時(shí)前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和受力方向相同，在這個(gè)力的作用下，前輪便繼續(xù)順時(shí)針運(yùn)動(dòng)起來。（指導(dǎo)老師：徐業(yè)權(quán)）