淺議自行車用到的物理知識

隋淑君 齊全

關(guān)于自行車的發(fā)明，眾說紛紜，但是可以肯定的是：較為實用的自行車，是在18世紀中葉出現(xiàn)的.它是經(jīng)過多次改進，不斷完善而成的.如今的自行車家族，可謂‘人丁興旺：加重自行車、輕便自行車、坤式自行車、山地自行車、賽車、童車、變速自行車、折疊自行車……現(xiàn)代自行車的制造，融入了更多的科學技術(shù)與合成材料，使得自行車更舒適、輕便.自行車雖然從大小、樣式等方面發(fā)生了巨大變化，但是基本結(jié)構(gòu)及原理，駕駛技巧等幾乎沒變.

1基本結(jié)構(gòu)及物理原理

用于掌控方向的“車把”，是一個省力杠桿，也是一個變形的輪軸.自行車用杠桿、輪軸的地方很多，例如，車閘手柄、曲柄、都是省力杠桿；飛輪、齒盤、都是輪軸.

為了減少摩擦，自行車的轉(zhuǎn)軸部分都安裝了軸承，例如中軸、前后軸、前叉、飛輪內(nèi)部，軸承是用滾動摩擦代替滑動摩擦，目的是為了減小摩擦.不過自行車也有故意增大摩擦的地方：手把、腳蹬、輪胎、鞍座表面等，都有各種各樣的花紋，就是利用增大接觸面的粗糙程度，來增大有益摩擦力的.

自行車的“三角架”、后衣架、等處的三角形結(jié)構(gòu)，充分利用了三角形的穩(wěn)定性，從而最大限度地減少車體質(zhì)量，也就是減少車重（G=mg），使自行車更輕便.

“鞍座”制成馬鞍形，是為了增大受力面積而減少壓強；在鞍座下有減震彈簧，彈簧的減震原理是：根據(jù)沖量公式Ft=ΔP可知，沖量一定時，延長作用時間，可減小作用力，當然充氣的輪胎，也起到一定的減震作用；說到給輪胎充氣，還真有不少說道呢，通常后胎氣壓稍大250 Pa左右，前胎200 Pa左右即可，不能充氣過足，根據(jù)查理定律P/

=C可知：體積一定時，壓強與熱力學溫度成正比，特別是夏天，在陽光暴曬下氣壓變大，會發(fā)生爆胎；自行車的氣門塞，是一個單向閥門；給自行車打氣時，打氣筒會發(fā)熱，這是打氣時，活塞對氣體做功，使氣體內(nèi)能增大的緣故.不過也總有人認為，這是活塞與氣筒摩擦所致，可驗證如下：不接輪胎，空壓打氣筒手柄數(shù)次，打氣筒不會發(fā)熱；堵住打氣筒出氣口，按壓打氣筒手柄同樣次數(shù)，打氣筒會發(fā)熱，說明是活塞對氣體做功，使氣體內(nèi)能增大.

當你騎著自行車行駛時，可曾想到：后輪與地面的摩擦力，才是使自行車向前運動的動力.你踏動腳蹬，通過齒盤經(jīng)鏈條、飛輪驅(qū)動后輪，使后輪產(chǎn)生一個繞軸的轉(zhuǎn)動力矩，地面與輪胎的磨擦力阻止車輪轉(zhuǎn)動，于是車輪沿地面向前滾動.而前輪與地面的摩擦力方向向后，正是這個阻力，增加了你的疲勞感.

變速自行車設(shè)計的非常巧妙，行進中可變換使用，飛輪上直徑不同的齒盤.公式P=Fv表明：功率一定時，速度越大牽引力越小，所以路況好時，使用飛輪上直徑較大的齒盤，盡可能地提高自行車速度.

現(xiàn)代自行車，為了適應(yīng)交通法規(guī)的要求，還裝有振鈴和尾燈，用拇指撥動按鈕，鈴錘敲打鈴殼，鈴殼震動發(fā)出清脆的鈴聲，按鈕是一個拇指肚大小的圓片，應(yīng)用了“增大受力面減少壓強”的原理，體現(xiàn)了以人為本的設(shè)計理念；尾燈是由多個小三棱錐組成的紅色反射面，能夠使汽車燈光發(fā)生漫反射，汽車駕駛員在不同角度，都能看到反射的紅光，這里巧妙地應(yīng)用了，“不透明物體的顏色，是由它反射的色光決定的”這條物理規(guī)律.

2運動現(xiàn)象及其成因

行駛在平坦路段，即使停止用力，自行車也會向前“滑行”一段，顯然是慣性現(xiàn)象；如果在下坡路段，即使不用力，自行車也會越來越快，這是重力勢能轉(zhuǎn)化為動能的緣故，公式E=1/2Mv2告訴我們：人和車的總質(zhì)量M不變，當動能E變大時，自行車速度v變大，不過要注意噢，剎車時一定要先剎后輪，如果先剎前輪，由于慣性，人和車繼續(xù)向前運動，后輪易“彈起”，使人前傾，發(fā)生危險；你還會發(fā)現(xiàn)：越是用力握閘柄，剎車距離越短，這是因為剎車時，通過省力杠桿閘柄、“剎車線”、“剎車組件”給“剎車皮”（俗稱閘皮）施加壓力，從而增大剎車皮與車圈的摩擦力，因為接觸面積一定時，壓力越大摩擦力越大.

3駕駛技術(shù)的物理依據(jù)

要說車技，當首推自行車雜技演員，驚險奇特的動作令人眼花繚亂.然而一般人騎車也要有一定技術(shù)：上坡前要猛蹬幾下，加快運動速度，以便有更多的動能（E=1/2Mv2），用來轉(zhuǎn)化為重力勢能（E=mgh）；如果上較長的坡，還可走S形路線，雖然多走了路程、多用了時間，但是總比直接上坡容易些；從公式W=FS可知，做功（W）一定時，增加作用距離（s），可以省力（F）；從公式P=W/t可知：做功（W）一定時，增加做功時間（t），可減小輸出功率（P），這是走S形路線，容易上坡的奧秘.

騎車轉(zhuǎn)彎時，身體向彎道內(nèi)側(cè)傾斜，是重力與地面對車輪支持力的合力，為作圓周運動的騎車者，提供了必要的向心力.

車技再高，也必須在一定速度下才能保持平衡，這是“陀螺效應(yīng)”.所謂“陀螺效應(yīng)”可簡單理解為：物體轉(zhuǎn)動時，離心作用使物體自身保持平衡.自行車以一定速度運動，是前后兩輪的轉(zhuǎn)動，維持了車體的平衡.

常騎自行車的人，往往有這樣一個常識：用后衣架帶重物時，最好用長布袋垂掛于兩邊，這樣才平穩(wěn).這是“重心低穩(wěn)度大”的緣故.

自行車是人類制造的交通工具中，最為環(huán)保的一種，騎自行車即鍛煉身體，又不會對環(huán)境造成污染，自行車代步，是真正的“低碳”行動.