自行車中的力學原理

趙苒晨

自行車作為日常生活常見的交通工具，它具有結構簡單、使用方便等諸多優點。我通過仔細觀察自行車，卻發現看似簡單的自行車上面，卻隱含著豐富的物理學知識。于是我懷著極大的興趣開始認真的觀察起自行車來，從自行車的結構設計到使用過程，我進行了認真的分析研究，并且在圖書館和網絡上面查閱了部分相關資料。我針對自行車中各個部件的設計所涉及的力學原理進行了歸納總結，并且聯系我們中學學習到的物理相關知識進行了簡單的分析。通過分析，我按照所主要涉及到的物理力學知識進行分類如下：

一、與摩擦力相關的部件設計

（一）為了增大摩擦力，在輪胎、車把套、剎車盤、腳踏板、車座下的坐桿上面都設計的有各種花紋，這樣通過增大接觸面的粗糙程度來增大摩擦力。

（二）為了減小摩擦力，在車把、前后軸、中軸、腳踏板、飛輪等轉動部件中需要經常滴加潤滑油，這樣就達到了減小接觸面的粗糙程度的目的。另外這些轉動部分設計的都有滾珠，通過利用滾動摩擦比滑動摩擦小的多的原理減小了摩擦力。

二、與共點力平衡相關的結構設計

自行車的前后車架均采用三角形設計，車架作為主要的受力部件，這種設計利用了三角形三個角頂端受力后相互平衡，使自行車能夠承受較大的壓力。另外，停放時車支架和兩個輪胎可以構成三角形；騎行時兩手壓在車把上和臀部坐在車座上構成三角形；腳踏板和車座及車把構成三角形。這樣設計就利用了三角形穩定性和三點合力與重力平衡的原理。

三、與杠桿原理相關的部件設計

自行車的剎車把、車把、腳踏板連接的曲柄、變速器調節手柄、車鈴柄均是省力杠桿，通過這些設計，實現了人們能夠用較小的力來獲得較大的力。

四、與壓強相關的部件設計

自行車的車座、腳踏板設計的比較寬大，大多數螺母的下面加的有墊圈，這樣設計的目的就是通過增大受力面積而減小壓強。

自行車輪胎則是利用壓縮氣體壓強比較大的道理，才使輪胎能夠承受較大的壓力。當然夏天的時候輪胎內的氣壓不能太高，這是由于夏季陽光下氣溫高，輪胎內的氣壓增大時容易造成爆胎。

五、與圓周運動相關的傳動和擋泥裝置設計

人騎自行車的時候是通過用腳踩腳踏板給自行車提供動力，腳踏板的曲柄是和鏈輪同軸轉動的，它們有相同的角速度。人的腳如果踏著腳踏板轉動一周，鏈輪就會轉動一周；而鏈輪和飛輪是通過鏈條連接，它們具有相同的線速度，同時鏈輪的齒數和飛輪的齒數比最大的達到十六比一，人如果通過變速器調整為最大的齒數比，鏈輪每轉動一周，飛輪就會轉動十六周；飛輪和自行車后輪是同軸傳動，飛輪轉動十六周，后輪在帶動下就會轉動十六周。飛輪內部設計的有棘輪和一個很小的千斤頂，當人蹬著自行車前進的時候，千斤頂彈出頂者棘輪的齒，帶動飛輪轉動。當人騎車滑行的時候，棘輪的齒就會不斷的把千斤頂壓入槽內，這時候就會聽到輕微的“噠噠”的聲音。

自行車的前后輪胎上面均罩有擋泥裝置，這是為了防止下雨天車輪上的泥水隨著車輪轉動的時候做離心運動甩到人身上，而且后輪上擋泥罩設計的比前輪上的擋泥罩長。

六、與彈性形變及動量定理相關的裝置設計

自行車的前叉、車座下、車閘處、車支架處均安裝的大小不一的彈簧，這些彈簧受力后發生彈性形變，外力撤去后能夠恢復形變。而自行車的前叉、車座下的彈簧以及沖氣的輪胎，則起到了緩沖路面坎坷不平時對人的彈力。因為根據動量定理，這些設計通過延長力的作用時間而減小了對人的彈力，增強了人們騎自行車時的舒適度。

七、未解之謎----自行車騎行過程中為什么不會倒？

自行車出現后的200多年來，眾多物理學家孜孜不倦地研究著自行車不倒的問題，以期尋求一個合理的解釋，他們提出了各種可能性的解釋。

可能性之一：陀螺效應

在對自行車穩定性的解釋中比較常見的一種說法是自行車前輪的陀螺效應。因為當物體轉動時，它的離心力會幫助保持自身平衡，就像抽動旋轉的陀螺時，陀螺會圍繞著它的軸保持旋轉方向的慣性一樣。所以有人認為當自行車前輪轉動時，它的離心力會幫助保持自身平衡，就像抽動旋轉的陀螺時，陀螺會圍繞著它的軸保持旋轉方向的慣性一樣。

可能性之二：離心力效應

也有人認為當自行車往一側傾斜時，騎車人就會將前輪轉向同一側，由于前輪轉了一個角度，自行車就會沿著傾斜側的圓周行進，這時離心力向圓周外，就會將自行車扶正。根據這個解釋，自行車行進的速度越快便越容易控制，人們要是想把自行車騎的很慢卻很容易傾倒，所以說穩定性與速度快慢是有關系的。通常速度越大，穩定性也越好，所以在速度較高的時候，騎車熟練的人可以不用雙手控制車把。

可能性之三：腳輪效應

英國科普作家大衛·瓊斯認為前叉轉軸與地面的交點位于前輪觸地點的前方，是影響自行車穩定性的重要因素，稱為--腳輪效應。腳輪效應能使前輪的支承力產生對前叉轉軸的力矩，推動前叉朝傾斜方向轉動，使離心力效應的穩定作用自動實現。

可能性之四：多重效應綜合作用

陀螺效應、腳輪效應和自行車前部重心位置這三點，雖然不會各自對平衡力起決定性作用，但可能三者有一股微妙的交互關聯，影響自行車的平衡力。

其實，關于自行車的結構設計和騎行原理，一定還有許多相關的物理力學知識，只是由于我相關學識的水平淺薄而不能夠一一解析，只能期望將來有機會能夠在此方面繼續探索。