自行车中的力学原理

赵苒晨

自行车作为日常生活常见的交通工具，它具有结构简单、使用方便等诸多优点。我通过仔细观察自行车，却发现看似简单的自行车上面，却隐含着丰富的物理学知识。于是我怀着极大的兴趣开始认真的观察起自行车来，从自行车的结构设计到使用过程，我进行了认真的分析研究，并且在图书馆和网络上面查阅了部分相关资料。我针对自行车中各个部件的设计所涉及的力学原理进行了归纳总结，并且联系我们中学学习到的物理相关知识进行了简单的分析。通过分析，我按照所主要涉及到的物理力学知识进行分类如下：

一、与摩擦力相关的部件设计

（一）为了增大摩擦力，在轮胎、车把套、刹车盘、脚踏板、车座下的坐杆上面都设计的有各种花纹，这样通过增大接触面的粗糙程度来增大摩擦力。

（二）为了减小摩擦力，在车把、前后轴、中轴、脚踏板、飞轮等转动部件中需要经常滴加润滑油，这样就达到了减小接触面的粗糙程度的目的。另外这些转动部分设计的都有滚珠，通过利用滚动摩擦比滑动摩擦小的多的原理减小了摩擦力。

二、与共点力平衡相关的结构设计

自行车的前后车架均采用三角形设计，车架作为主要的受力部件，这种设计利用了三角形三个角顶端受力后相互平衡，使自行车能够承受较大的压力。另外，停放时车支架和两个轮胎可以构成三角形；骑行时两手压在车把上和臀部坐在车座上构成三角形；脚踏板和车座及车把构成三角形。这样设计就利用了三角形稳定性和三点合力与重力平衡的原理。

三、与杠杆原理相关的部件设计

自行车的刹车把、车把、脚踏板连接的曲柄、变速器调节手柄、车铃柄均是省力杠杆，通过这些设计，实现了人们能够用较小的力来获得较大的力。

四、与压强相关的部件设计

自行车的车座、脚踏板设计的比较宽大，大多数螺母的下面加的有垫圈，这样设计的目的就是通过增大受力面积而减小压强。

自行车轮胎则是利用压缩气体压强比较大的道理，才使轮胎能够承受较大的压力。当然夏天的时候轮胎内的气压不能太高，这是由于夏季阳光下气温高，轮胎内的气压增大时容易造成爆胎。

五、与圆周运动相关的传动和挡泥装置设计

人骑自行车的时候是通过用脚踩脚踏板给自行车提供动力，脚踏板的曲柄是和链轮同轴转动的，它们有相同的角速度。人的脚如果踏着脚踏板转动一周，链轮就会转动一周；而链轮和飞轮是通过链条连接，它们具有相同的线速度，同时链轮的齿数和飞轮的齿数比最大的达到十六比一，人如果通过变速器调整为最大的齿数比，链轮每转动一周，飞轮就会转动十六周；飞轮和自行车后轮是同轴传动，飞轮转动十六周，后轮在带动下就会转动十六周。飞轮内部设计的有棘轮和一个很小的千斤顶，当人蹬着自行车前进的时候，千斤顶弹出顶者棘轮的齿，带动飞轮转动。当人骑车滑行的时候，棘轮的齿就会不断的把千斤顶压入槽内，这时候就会听到轻微的“哒哒”的声音。

自行车的前后轮胎上面均罩有挡泥装置，这是为了防止下雨天车轮上的泥水随着车轮转动的时候做离心运动甩到人身上，而且后轮上挡泥罩设计的比前轮上的挡泥罩长。

六、与弹性形变及动量定理相关的装置设计

自行车的前叉、车座下、车闸处、车支架处均安装的大小不一的弹簧，这些弹簧受力后发生弹性形变，外力撤去后能够恢复形变。而自行车的前叉、车座下的弹簧以及冲气的轮胎，则起到了缓冲路面坎坷不平时对人的弹力。因为根据动量定理，这些设计通过延长力的作用时间而减小了对人的弹力，增强了人们骑自行车时的舒适度。

七、未解之谜----自行车骑行过程中为什么不会倒？

自行车出现后的200多年来，众多物理学家孜孜不倦地研究着自行车不倒的问题，以期寻求一个合理的解释，他们提出了各种可能性的解释。

可能性之一：陀螺效应

在对自行车稳定性的解释中比较常见的一种说法是自行车前轮的陀螺效应。因为当物体转动时，它的离心力会帮助保持自身平衡，就像抽动旋转的陀螺时，陀螺会围绕着它的轴保持旋转方向的惯性一样。所以有人认为当自行车前轮转动时，它的离心力会帮助保持自身平衡，就像抽动旋转的陀螺时，陀螺会围绕着它的轴保持旋转方向的惯性一样。

可能性之二：离心力效应

也有人认为当自行车往一侧倾斜时，骑车人就会将前轮转向同一侧，由于前轮转了一个角度，自行车就会沿着倾斜侧的圆周行进，这时离心力向圆周外，就会将自行车扶正。根据这个解释，自行车行进的速度越快便越容易控制，人们要是想把自行车骑的很慢却很容易倾倒，所以说稳定性与速度快慢是有关系的。通常速度越大，稳定性也越好，所以在速度較高的时候，骑车熟练的人可以不用双手控制车把。

可能性之三：脚轮效应

英国科普作家大卫·琼斯认为前叉转轴与地面的交点位于前轮触地点的前方，是影响自行车稳定性的重要因素，称为--脚轮效应。脚轮效应能使前轮的支承力产生对前叉转轴的力矩，推动前叉朝倾斜方向转动，使离心力效应的稳定作用自动实现。

可能性之四：多重效应综合作用

陀螺效应、脚轮效应和自行车前部重心位置这三点，虽然不会各自对平衡力起决定性作用，但可能三者有一股微妙的交互关联，影响自行车的平衡力。

其实，关于自行车的结构设计和骑行原理，一定还有许多相关的物理力学知识，只是由于我相关学识的水平浅薄而不能够一一解析，只能期望将来有机会能够在此方面继续探索。