淺析自行車與力學(xué)的關(guān)系

摘要 自行車是一種很常見的交通工具，很多學(xué)生每天都使用它。但事實(shí)上我們并不很了解它的結(jié)構(gòu)和原理等。筆者做了一些研究，以了解一些原則的機(jī)制，也是為了豐富物理方面的知識(shí)。通過實(shí)驗(yàn)和查詢信息之后我掌握了其中的一些奧秘。

關(guān)鍵詞 自行車 摩擦 杠桿 壓力和壓強(qiáng) 彈性

中圖分類號(hào)：O311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 車型構(gòu)造

從整個(gè)車身來(lái)看，自行車的骨架采用了三角形結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性，不易變形，并運(yùn)用了空心管材料，既堅(jiān)固輕便又美觀大方。車身下方有大小不同的兩鏈盤。后輪軸心處一般安有一腳撐，停放車時(shí)可助車斜立起來(lái)。

車的前后各有一輪胎，前輪與車頭相連，用于控制方向；后輪與后鏈盤相連，騎車時(shí)是全車的驅(qū)動(dòng)輪。以前兩車輪的輪圈是鋼制的，現(xiàn)在一些自行車改用鋁合金做輪圈，與鋼相比，鋁合金既不易生銹，又減輕了車身的重量，更耐用。

2 研究出關(guān)于自行車的力學(xué)問題

2.1 摩擦力

2.1.1 起動(dòng)力作用的摩擦

自行車兩車輪上都安有左右兩剎車皮，小組成員通過查閱資料得知：剎車皮是采用動(dòng)磨擦因數(shù)很大的橡膠制成；而且為了增大摩擦力，剎車皮上都有一些花紋（小組成員通過實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)）。當(dāng)人剎車時(shí)，剎車皮緊緊壓在鋼圈上，由f（最大靜摩擦力）= F（壓力），采用具有很大動(dòng)摩擦因數(shù)的剎車皮與鋼圈接觸，當(dāng)N增大時(shí)，使得摩擦力迅速增大，輪胎由相對(duì)地面的滾動(dòng)變?yōu)榛瑒?dòng)，由于滑動(dòng)摩擦力遠(yuǎn)大于滾動(dòng)摩擦力，實(shí)現(xiàn)了使車及時(shí)停下來(lái)。但由牛頓第一定律（即慣性定律）可知，由于車原先具有一定的速度，所以剎車后仍會(huì)向前運(yùn)動(dòng)一段距離。

車的手把、踏板和外胎的設(shè)計(jì)原理與剎車皮相仿。車外胎、手把一般也采用有花紋的橡膠制成，手把的設(shè)計(jì)使騎車的人能更好地握緊車頭而更安全地控制車向。踏板一般采用有粗糙花紋的塑料制成。那為什么踏板要用塑料制而不是更為粗糙的橡膠呢？這是因?yàn)橄鹉z質(zhì)軟，雖然在相同條件下其最大靜摩擦力一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于塑料，但無(wú)法支撐腳對(duì)它的壓力而發(fā)生形變。所以，要采用比較堅(jiān)硬的塑料。

當(dāng)人騎在自行車上時(shí)，通過腳踏板連接車鏈?zhǔn)购箧湵P轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，自行車后輪是主動(dòng)輪 ，它表面與地面接觸的各個(gè)部分在與地面接觸的瞬間都有一個(gè)相對(duì)于地面向后運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，因此，后輪受到地面一個(gè)向前的靜摩擦力，這個(gè)力推動(dòng)整輛自行車向前運(yùn)動(dòng)，這個(gè)力就是自行車的主動(dòng)力。

2.1.2 起阻礙作用的摩擦

當(dāng)人騎在自行車上時(shí)，自行車除了后輪受到地面向前的摩擦力外，前輪還同時(shí)受到地面的阻力。就是前輪相對(duì)于地面向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，地面對(duì)前輪有一個(gè)向后的摩擦力，阻礙車向前運(yùn)動(dòng)，這時(shí)，該摩擦力就起了阻礙作用。

在上述過程中，自行車的前后兩輪還同時(shí)受到地面的阻力，這是自行車相對(duì)于地面向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，地面會(huì)給予車一個(gè)向后的滾動(dòng)摩擦力（車胎充滿氣時(shí)），阻礙車向前運(yùn)動(dòng)，車要向前運(yùn)動(dòng)，就必須克服這個(gè)滑動(dòng)摩擦力。當(dāng)車胎內(nèi)氣體不充足時(shí)，胎內(nèi)氣體壓強(qiáng)小于外界大氣壓強(qiáng)，由P=F/S得，F(xiàn)（壓力）一定，而P（壓強(qiáng)）減小，車胎與地面的接觸面S增大，使原來(lái)兩車輪的滾動(dòng)變?yōu)榛瑒?dòng)，地面對(duì)兩車胎的摩擦力變?yōu)楦蟮淖璧K車向前運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)摩擦力，增大了人騎車前進(jìn)的困難，所以自行車地車胎要充足氣。

2.2 杠桿

自行車的車頭是轉(zhuǎn)向裝置，它采用T字型結(jié)構(gòu)，既顯得美觀又有實(shí)用價(jià)值。它是一個(gè)省力杠桿，由FL=F'L'（動(dòng)力€錐Ρ？阻力€鬃枇Ρ郟┛芍絞職鴨淶木嗬朐醬螅蜃淥璧牧υ叫。飧雋μ蠡蛺《薊崾谷四巖鑰刂品較潁伊絞職鴨淶木嗬胩蠡崾谷慫鄄皇娣虼耍絞職鴨淶木嗬胍話閿爰繽恚庋杓萍缺閿誑刂品較潁質(zhì)谷慫凼媸??？

同樣，剎車手把也是一省力杠桿，剎車把安在手把的前方或下方，便于剎車。它經(jīng)過鋼絲與剎車皮相連，剎車手柄比自行車手略短，它是杠桿的動(dòng)力臂，當(dāng)人手捏剎車柄時(shí)，剎車柄拉動(dòng)鋼絲，鋼絲具有向上拉力，此拉力在鋼絲另一端分解為拉動(dòng)車輪左右兩剎車皮的斜向上拉力，經(jīng)軸承使兩剎車皮在左右兩個(gè)方向同時(shí)壓在車輪輪圈上，達(dá)到剎車的目的。

2.3 壓力與壓強(qiáng)

腳踏板一般表面積都比較大，那它為什么要有大的面積呢？對(duì)于這個(gè)問題，小組成員回憶起初中學(xué)過的知識(shí)，得出了結(jié)論：由P=F/S可得，當(dāng)人以相同的力F踩腳踏板時(shí)，面積S增大，則腳踏板對(duì)人腳底的壓強(qiáng)P減小了，使人在騎車時(shí)不至于腳底產(chǎn)生疼痛感。

車座也一樣，車座的面積大一些，可以增加人與車座的接觸面積，減小車座對(duì)人的壓強(qiáng)，使臀部不會(huì)疼痛。

2.4 彈簧與彈力

自行車的車座下面安有彈簧，坐墊一般用泡沫、海綿、皮料制成。這樣的設(shè)計(jì)使車座具有避震作用。當(dāng)自行車行駛到凹凸不平的路面時(shí)，人隨著車起伏上下震動(dòng)，彈簧的彈力增加了人與坐墊的接觸時(shí)間。小組成員又通過上網(wǎng)查詢資料，得到了沖量公式I=Ft（I為震動(dòng)沖量，F(xiàn)為兩物體接觸力，t為接觸時(shí)間）。當(dāng)震動(dòng)中沖量I不變，接觸時(shí)間t增長(zhǎng)，則人與坐墊的接觸力F減小，起到了緩沖的作用。所以，如果沒有這樣設(shè)計(jì)，人坐在車上就會(huì)被震得更厲害，這也是坐在后架上的人臀部總比坐在車座上的人痛的原因。

裝有避震器的山地車也是根據(jù)這個(gè)原理在車頭和車身裝上了彈簧，使其避震效果得到加強(qiáng)。

而車輪之所以要用充氣的輪胎，是用空氣阻隔了鋼圈與地面的接觸，同時(shí)又采用富有彈性的橡膠胎做自行車的內(nèi)胎，都是為了達(dá)到避震的效果，這也是車胎要充足氣但又不能過飽滿的另一原因。

2.5 滑輪

自行車后輪的運(yùn)轉(zhuǎn)就是根據(jù)滑輪的原理設(shè)計(jì)的。人腳踩腳踏板時(shí)帶動(dòng)前鏈盤轉(zhuǎn)動(dòng)，前鏈盤又通過鏈條帶動(dòng)后鏈盤轉(zhuǎn)動(dòng)，前后鏈盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度相同，后鏈盤又帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，則鏈盤與后輪的角速度相等，但后輪的半徑遠(yuǎn)大于鏈盤半徑，由此后輪線速度增大，提高了車速。

有變速器的自行車其變速器也是運(yùn)用了滑輪的原理。變速器是通過改變前后鏈盤半徑之比來(lái)改變車的車速的。當(dāng)騎車者要更快的車速時(shí)，就調(diào)節(jié)變速器，使鏈條掛到半徑更大的前鏈盤上，或使鏈條掛到半徑更小的后鏈盤上，從而增大了前鏈盤半徑比后鏈盤半徑的值。當(dāng)人在相同的時(shí)間踩腳踏板使前鏈盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，后輪在這段時(shí)間內(nèi)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)很多圈，從而提高車的行駛速度，但這樣自行車騎起來(lái)會(huì)非常費(fèi)力而如果把車速調(diào)到較小時(shí)，車騎起來(lái)會(huì)非常輕松。也就是說，當(dāng)車要通過一定的距離時(shí)，若人腳用力大，則腳轉(zhuǎn)動(dòng)的距離?。环粗?，則腳轉(zhuǎn)動(dòng)的距離大。這符合物理定律：滑輪不能省功（省力費(fèi)距離，省距離費(fèi)力）。

3 總結(jié)

時(shí)代在發(fā)展，科學(xué)無(wú)處不在。就連我們?nèi)粘Ｉ钪小昂?jiǎn)簡(jiǎn)單單”的一輛自行車也包含著并不簡(jiǎn)單的科學(xué)理論。通過這次的研究性學(xué)習(xí)，筆者弄清了一些關(guān)于自行車的問題，如自行車的動(dòng)力原來(lái)是地面對(duì)輪胎的靜摩擦力、變速器雖能加速但不能省功、車胎必須充滿氣的原因等。同時(shí)，這次的研究性學(xué)習(xí)豐富了我的知識(shí)，擴(kuò)展了我的知識(shí)面，也培養(yǎng)了我的問題意識(shí)，增強(qiáng)了我對(duì)事物的探索欲望。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉延珠.自行車的受控運(yùn)動(dòng)[J].力學(xué)與實(shí)踐，1995.17（4）.

[2] 朱欣志.兩輪車的穩(wěn)定性分析與控制研究[D].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003.5.