自行車中的力學

劉山佳

（衡水滏陽中學，河北 衡水 053000）

0 引言

目前中國已經成為了全世界第二大經濟體，世界矚目。但是，隨著經濟水平的提高，我國的環境卻出現了明顯的惡化，特別是嚴重的霧霾天氣，已經對廣大人民的健康生活帶來了危害。隨著環境問題的日益突出，綠色低碳生活成為了人們談論最多的話題，其中自行車作為一種完全綠色健康的生活方式，在各大城市中均掀起了一股“騎行熱潮”。自行車的出現距今已有百余年，最早是由法國人西夫拉克發明的。而第一輛現代意義的自行車則出現在19世紀末的英國，后由傳教士帶入中國。

自行車分為公路自行車、場地自行車、三項賽/計時賽自行車、山地自行車、速降自行車、斜躺自行車、旅行自行車、廣告自行車、越野公路車、雙人/多人自行車、折疊車、電動自行車、小輪車等多種用途和種類，但不論哪種其基本結構和力學原理都是一樣的。

1 自行車的基本結構

自行車的基本結構包括：1）前輪；2）輻條；3）花鼓；4）前叉；5）前剎； 6）鋼索；7）剎車及變速把手；8）車把；9）豎桿；10）車架；11）前變速；12）車座桿；13）車座；14）后剎；15）貨架；16）飛輪；17）反光鏡；18）后輪； 19）后變速；20）腳撐；21）氣門；22）后輪；23）鏈條；24）輪盤；25）腳踏；26）曲柄等等。

2 自行車受力分析

根據自行車的構造可以看出，后輪為主動輪，是整個車體的驅動部分，而前輪為從動輪，在自行車運動時兩個輪子均成順時針轉動，那么兩個輪子的受力狀況存在什么區別呢？下面我們分別對兩個輪子的受力狀態進行分析。

首先是后輪，其受力分析如下圖1所示，后輪通過腳踏板和鏈條等傳動裝置，獲得一個來自人力的力矩M1，因此呈順時針方向轉動，由于車輪相對于地面呈向后運動的趨勢，所以會受到地面對其向前的摩擦力Fs，其力矩為M2，這就是驅動自行車向前運動的作用力。

圖1 自行車后輪受力作用圖

我們再來看前輪，其受力分析如下圖2所示，由于前輪為從動輪，因此它會被迫成順時針方向轉動，因此其相對地面的運動趨勢為向前，所以會受到一個向后的摩擦作用力Fs'。

因此整個自行車體水平方向受到的作用力共3個，即后輪的向前摩擦力Fs，前輪的向后摩擦力Fs`和風阻力Fw。因此整個車體受到的合力為：

因此，相同的人，相同的車體及相同的風阻情況下，自行車的驅動力受前后輪的摩擦力之差決定。因此在自行車的設計中采用了一些方式強化摩擦力，比如輪胎使用了硬質橡膠材料制作，并在表面刻意布滿了各式各樣的花紋，表面布滿花紋是利用了增大表面粗糙程度的方式增大摩擦，采用橡膠材料是因為橡膠的動摩擦因數比較大。同時利用這兩種措施，就可以有效的增大摩擦，從而提高自行車的工作效率。

3 自行車傳動裝置分析

自行車中另外一個重要的部分是傳動裝置，主要包括主動齒輪、被動齒輪、鏈條及變速器等。

設大齒輪、小齒輪與后輪的線速度分別為V1、V2和V3，由于大小齒輪之間用鏈條相連，,因此大小齒輪盤沿線速度大小相同，即V1=V2，而小齒輪和后輪之間又通過輪軸相連，因此他們的角速度相同ω˙2=ω˙ 3，則由V=Rω，可以計算得出V3與V2的比值正比于兩者的半徑比。

我們通過進一步計算，可知人踩踏板速度V和后輪轉動速度V3之間的關系，踏板和大齒輪盤同軸，則

4 自行車剎車系統

目前主流的剎車裝置分為兩種：即V剎和碟剎。

碟剎是通過夾器作用在固定在花鼓上的鋼制碟片制動的；V剎是通過V剎夾器抱緊車圈來制動的，相對而言，車圈半徑要比碟剎碟片半徑大太多了，因此碟剎的制動力臂要小的多，因此理論上更加不容易抱死，抱死對于自行車的剎車要求來說是最基本的，但是不是越容易抱死越好。

V剎的摩擦是橡膠混合物和車圈接觸摩擦，一般制動效果還是很強勁的，除非在持續高速下坡，持續剎車，強烈的摩擦使車圈溫度過高，這種情況下剎車的制動力會有所減弱。溫度越高，剎車效果也隨之越下降得厲害。

碟剎是金屬的碟片和碟剎摩擦塊兒之間摩擦來制動，這樣的制動就非常強勁了，和汽車和高檔摩托車類似，特點是不受雨水和惡劣路況天氣的影響，因為碟剎摩擦塊兒是金屬燒結物，這樣和鋼片摩擦，即使是雨天和有泥漿的情況下，工作情況依然良好，制動力下降雖然明顯，但是也強于V剎的橡膠和鋁合金車圈摩擦。還有就是因為碟剎盤片是鋼制的，而且一般帶孔，在持續下坡剎車過程中碟片散熱效果也比V剎要好些。

一般在城市里較好路況下行駛的普通自行車，由于要考慮到盡量減輕整車重量，一般采用V剎，而為各種地形與路況設計的山地車，大多為克服惡劣的路況而采用碟剎。

5 自行車中的彈力知識

圖2 自行車前輪受力作用圖

一輛好的自行車首先要有一個結實的車架。因為車架是自行車的主體結構，各個零部件組裝在車架上組成一部整車。所以車架要同時達到堅固和輕盈。車架的結構大多采用三角形結構，這是由于三角形具有穩定性，在收到較大的彈力是也不會產生形變。車架的材料則采用鋼制或鋁合金制管材，這樣能在堅固的前提下更加輕盈。

自行車的車胎中充有壓縮氣體，坐墊下有鋼制彈簧。這兩種設計都是為了能吸收一部分地面對車的彈力，利用他們可以產生彈性形變來使自行車的騎行更加舒適。

車輪部分用輻條連接輪圈和花鼓，通過合理的編結，輻條能有效的把地面對車圈的彈力分散，均勻的分配到每一根輻條上。輻條的編結是至關重要的，比賽級自行車使用12或18根輻條加以合理編結就能達到比普通自行車36根輻條還要大的強度。

6 得到的啟示

1）針對不同的天氣、路況和用途選擇合適的輪胎。

2）定期檢查車胎的胎壓，胎壓過小會增大騎行時的摩擦阻力，過大則可能造成打滑、彈性減小及爆胎等問題。

3）定期檢查剎車塊與輪圈的接觸面，磨損嚴重時應及時更換。