自行車如何運動

劉忻雨

自行車是生活中常見又環保的代步工具，在污染越來越嚴重的現代社會，自行車變得越來越流行。

小時候，爸爸媽媽帶我學騎自行車，我當時的第一想法就是自行車的前輪和后輪為什么可以同時運動？動力來源是什么？限于當時的知識水平和理解能力，我一直沒能明白自行車運動的具體原理。隨著年齡的增長，自己學了力學、運動學等相關物理知識，便慢慢嘗試去解釋自己小時候的疑問。

通過分析得知，騎自行車時，腳踩腳踏，給腳踏施加一個外力，通過曲柄傳遞到鏈輪，鏈輪轉動，具有一個線速度V1和角速度ω1，通過鏈條把速度傳遞給飛輪，飛輪具有一個線速度V2和角速度ω2。由于飛輪和后輪由后軸固定在一起，所以后輪獲得一個線速度V3和角速度ω3。后輪獲得速度之后驅動前輪轉動，前輪獲得一個線速度V3和角速度ω3（由于前輪和后輪直徑大小相等，因此前、后輪線速度和角速度大小相等）。

由于V=ωR（R是圓形輪子的直徑），在鏈條的作用下，鏈輪和飛輪的速度相等，即V1=V2，所以 ω1R1=ω2R2，而且R2ω1，所以我們在騎自行車時只需用腳輕輕轉動，就能讓飛輪獲得一個很大的角速度。有些自行車采用多級飛輪進行變速，基本原理就是多個飛輪片半徑不同，導致R2、R1不同，進而達到變速的目的。自行車由于飛輪和后輪通過后軸固定在一起，所以后輪和飛輪具有相同的角速度，即ω2=ω3，所以V2/R2=V3/R3，因為R3>R2，所以V3>V2。

綜上所得，只需輕輕轉動鏈輪，就可以給自行車提供很大的速度。而且R2比R1小得越多，R2比R3小得越多，就會導致V3比V2大得越多，在鏈輪轉速相同的情況下，自行車獲得的速度就越大，所需要的外力也越來越大。

接下來分析自行車車輪的轉動方向以及動力來源。由高中力學知識可知，摩擦力的方向和相對運動方向或相對運動趨勢的方向相反，當鏈輪順時針轉動時，通過鏈條帶動飛輪順時針轉動，飛輪通過后軸帶動后輪順時針轉動。此時后輪相對地面向后運動，同時受到地面施加給它的一個向前的摩擦力F1，這個摩擦力是自行車運動的動力來源，這也就解釋了為什么自行車能向前運動了。

如果地面太光滑，會導致摩擦力過小，此時自行車非常容易滑倒。我們平常在自行車輪胎上看到的凹凸不平的花紋，也是為了增大輪胎和地面的摩擦力而設計的。

在分析完后輪的受力方向之后，我們也能很容易對前輪的受力方向進行分析了。前輪在后輪的作用下順時針轉動，此時前輪相對地面向前運動，受到地面對其向后的摩擦力F2，此時前輪的轉動方向和受力方向相同，在這個力的作用下，前輪便繼續順時針運動起來。（指導老師：徐業權）