淺談自行車上的杠桿原理

張鑫蕾

摘要：阿基米德有這樣一句流傳很久的名言：“給我一個支點，我就能撬起整個地球！”，這句話便是說杠桿原理。省力是機械制造中的重要指標之一，杠桿原理在其中的運用達到了極致。在我們的生活中，杠桿與輪軸原理無處不在，蹺蹺板，指甲鉗、剪刀等等。它們有著省力，費力和平衡之分。通過觀察分析自行車，簡要論述自行車的杠桿原理。

關鍵詞：自行車;杠桿;省力;費力

自行車，又稱腳踏車或單車，通常是二輪的小型陸上車輛。人騎上車后，以腳踩踏板為動力，是綠色環保的交通工具。自行車種類很多，有單人自行車，雙人自行車還有多人自行車。自行車的車架、輪胎、腳踏、剎車、鏈條等25個部件中，其基本部件缺一不可。其中，車架是自行車的骨架，它所承受的人和貨物的重量最大。按照各部件的工作特點，大致可將其分為導向系統、驅動系統、制動系統：

1.導向系統：由車把、前叉、前軸、前輪等部件組成。乘騎者可以通過操縱車把來改變行駛方向并保持車身平衡。

2.驅動（傳動或行走）系統：由腳蹬、中軸、牙盤、曲柄、鏈條、飛輪、后軸、后輪等部件組成。人的腳的蹬力是靠腳蹬通過曲柄，鏈輪、鏈條、飛輪、后軸等部件傳動的，從而使自行車不斷前進。

3.制動系統：它由車閘部件組成、乘騎者可以隨時操縱車閘，使行駛的自行車減速、停駛，確保行車安全。

而自行車車運用的杠桿原理，以下作具體說明。

一、杠桿原理

杠桿是一種簡單機械。在力的作用下能繞著固定點轉動的硬棒就是杠桿。在生活中根據需要，杠桿可以是任意形狀。蹺蹺板、剪刀、扳子、撬棒、釣魚竿等，都是杠桿。滑輪是一種變形的杠桿，定滑輪的實質是等臂杠桿，動滑輪的實質是阻力臂是動力臂一半的省力杠桿。

杠桿五要素

支點：杠桿繞著轉動的點，通常用字母O來表示。

動力：使杠桿轉動的力，通常用F1來表示。

阻力：阻礙杠桿轉動的力，通常用F2來表示。

動力臂：從支點到動力作用線的距離，通常用L1表示。

阻力臂：從支點到阻力作用線的距離，通常用L2表示。

（注：動力作用線、阻力作用線、動力臂、阻力臂皆用虛線表示。力臂的下角標隨著力的下角標而改變。例：動力為F3，則動力臂為L3;阻力為F5，阻力臂為L5.）

二、自行車車把、剎車握柄、踏腳的杠桿原理

自行車的車把，是控制前輪轉向的等臂杠桿，支點就是連著把手中間那根軸，力臂是手握的著力點和支點之間的垂直距離，人們用很小的力就能轉動自行車前輪，來控制自行車的運動方向和自行車的平衡。

仔細觀察自行車中的控制剎車閘的握柄的形狀，一端是手抓的長柄另一端連著鋼絲，拉動鋼絲所需要的阻力就是剎車的阻力，整個把手像一個蹺蹺板一樣固定在車把上，而鋼絲一端顯然比把手那邊短，阻力臂小于用力臂，這就形成了省力杠桿，人們用很小的力就能使車閘以較大的壓力壓到車輪的鋼圈上。

三、自行車腳踏與輪盤、后輪與小齒輪的杠桿原理

自行車的前軸，即自行車手把與前叉軸，組成省力輪軸，因為手把轉動的半徑大于前叉軸的半徑。自行車的中軸，即自行車的踏腳與大齒輪，也用到了杠桿原理，腳蹬半徑大于大齒輪半徑。以飛輪的輪軸為支點，用較長的鐵桿來轉動鏈條上的飛輪。當動力作用于輪上是，大齒輪轉動，輪與軸之間連續旋轉，它們之間構成了省力輪軸，便于人們輕便騎車。踏腳飛輪上用到了齒輪，以防止鏈條打滑。

自行車的后軸，即自行車后輪與小齒輪，也用到了輪軸原理。因為齒輪半徑小于后輪半徑，當動力作用于軸上時，形成了費力輪軸。

腳蹬是輪軸，但同時輪軸也用了杠桿的原理，腳踏板是動力，鏈條是阻力，支點是中間圓盤的軸。自行車由許多的簡單機械構成：執行部分的車把，控制部分中的車閘把，后閘部件中的前曲拐，后曲拐及支架，貨架上的彈簧夾，車鈴的按鈕等部件都屬于杠桿。傳動部分中的腳蹬、鏈條，后輪外圈的車胎是阻力，自行車鏈條是動力，車輪軸是支點。

四、結語

自行車的骨干就是車架，車架支撐了自行車所有的重量。自行車車架要和別的零件組合起來會有交點，而有些交點就成為了杠桿的支點。所以一輛自行車上會有很多個運用到杠桿原理與輪軸原理的地方，所以我們可以很輕松的把自行車騎起來。

參考文獻：

[1]陳向明.自行車造型設計中的人性化體現[D].長春：吉林大學，2011（04）.

[2]李倩.自行車設計中人性化的分析研究[J].當代教育實踐與教學研究，2016，25.