自行車涉及的力學原理淺析

王大中　郭洪存

摘 要：自行車具有結構簡單，方便實用的特點，并且騎自行車既環保，又能鍛煉身體，有益于身心健康。自行車主要是依靠傳動裝置的運動進行工作，其傳動裝置由主動和被動齒輪、鏈條以及變速器等組成，分析自行車的傳動過程有利于我們了解自行車的工作原理，此外，自行車本身在設計的過程中同樣應用了摩擦力、阻力等一些常見的力學知識，本文主要對自行車中存在的簡單力學原理進行分析。

關鍵詞：自行車；力學；機械結構

中圖分類號：G634.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）03-0187-02

1 引言

自行車的歷史可以追溯到上個世紀，距今的歷史已百余年，現已發展成為人們日常生活中常用的交通工具。歷史上最早的自行車是由一名叫做西夫拉克的法國人發明的，但那時候的自行車還與現在所說的自行車有很大的不同，它并未出現傳動系統，使用者只能依靠兩只腳不斷的蹬地來保證自行車的不斷前進，當時的自行車速度也并不理想，最多只能達到20公里/時。隨著發展，蘇格蘭人在最開始的自行車上進行改進，引入傳動系統，使得自行車的行駛速度得到大幅度提高，在清朝末期，傳教士將自行車引入中國[1]。

近年來，環保綠色越來越成為引導人們健康出行的重要理念，而且騎自行車也有起到健身的功效，因此越來越受到人們的追捧，再加上共享單車的快速發展，自行車已經成為人們生活中重要的組成部分，甚至會成為部分人出行的首選，據估計，我國現約有六億輛自行車。而自行車看似結構簡單，但在其整個工作的過程中還有很多物理知識，而本文中主要討論自行車中力學的內容。

2 自行車的組成

市面上的自行車雖然千差萬別，但主要的組成部分卻是大同小異，為了研究方便，本文調查了一種常見的自行車的組成結構，如圖1所示。

3 自行車中的力學原理

3.1 自行車傳動

自行車主要是依靠傳動裝置的運動進行，自行車的傳動裝置主要有由主動和被動齒輪、鏈條以及變速器組成。自行車前進主要靠前后兩個輪進行，其中，后輪為主動輪，主要為自行車的行駛提供動力，而前輪為方向輪，用于掌握自行車的前進方向。后輪的運轉是由飛輪所帶動的，此時，飛輪與后輪之間具有相同的角速度，而后輪的半徑比齒輪半徑要大，因此后輪的線速度大于飛輪，從而為自行車的行駛提供動力[2]。鏈條所帶動的傳動機構中，其中，前齒輪為主動齒輪其齒數以c表示，后齒輪為被動齒輪，其齒數以f表示，而主動輪與被動輪之間齒數的比值記為齒輪比，以g表示，則前齒輪齒數、后齒輪齒數，公式為：g=c/f。

傳動結構的結構示意圖如圖2所示。

除此之外，前輪、后輪、前齒輪、后齒輪各項運動參數表1所示。

其中，大齒輪與小齒輪之間以鏈條相連，因此兩個齒輪之間的線速度相同，即：。如前所述，而后輪和小齒輪繞以同樣的軸心進行轉動，因此二者之間的角速度相同，即。

根據角速度與線速度以及半徑之間的關系式，可以得到下述關系：

=

設人踩踏板的速度為V，則根據自行車的結構信息我們可以得到如下內容：

3.2 阻力

人每蹬腳蹬一下，都會為自行車的前進帶來力量，而這個力量可以稱之為前進力。前進力的大小與騎行者所運用的力道，自行車本身傳動比以及曲柄的長度都有關聯。前進力與用力、傳動比、曲柄（即中軸到腳蹬的連桿）長有關。以Y代表前進力，Q代表踏蹬力量，I代表曲柄長度，D代表傳動比，它們之間的關系用公式表示則為[3]：

Y=Q×I/D

前進力（Y）與踏蹬力量（Q），曲柄長度（I）成正比，與傳動系數（D）則成反比。

當然，阻力的大小與風速有很大的關系，阻力和風速之間的關系表如2所示：

3.3 自行車設計中的力學

3.3.1 力在運動中的應用

（1）減小與增大摩擦。為了使得自行車騎起來更省力，需要盡可能地減小摩擦力，將滑動摩擦力變為滾動摩擦，比如在車輪的各個軸上使用軸承，采用滾軸，并且添加潤滑劑能夠更大地減小摩擦。為了使得自行車更加安全，還要在某些部位增大摩擦力，例如自行車的車胎表面、車把手和踏板等地方都制造有明顯凹凸不平的紋理。當剎車時，自行車的車輪抱死，此時滾動摩擦變為滑動摩擦，摩擦力劇增，使得自行車能夠較快停下；剎車時需要緊握住車閘把手，使得剎車皮對車輪的壓力變大，增大摩擦力，從而讓車輪停止轉動。（2）彈簧的減震作用。不僅是自行車，許多的機械設備上的座墊都會安裝有彈簧，能夠起到減震緩沖的作用，這也是為什么坐在自行車座墊上的人會比坐在自行車貨架上舒服的原因。一個簡單的減震彈簧的案例圖3所示。

3.3.2 壓強知識的應用

（1）車胎承受的壓力是有極限的，自行車車胎上一般標有載重量，如果超過最大重量，車胎受到的壓強過大會使車胎損壞。（2）為了使得騎自行車的人在騎自行車的過程中盡量舒適，減小臀部所受的壓力，所以車座被設計成馬鞍型，增大受力面積，減小壓力。（3）車胎的壓力也會影響騎自行車的輕松程度。自行車的車胎存有大量的空氣，用來支撐自行車的總體重量。如果車胎的空氣較少，車胎的內壓小于外界的大氣壓強。根據公式P=F/S，當F不變時，壓強P減小，受力面積S要增大，原本的滾動摩擦變為滑動摩擦，摩擦力增大，降低自行車的騎行速度；如果車胎的空氣較充足，自行車騎起來就會變得較輕松[4]。

3.3.3 簡單機械知識的應用

自行車在運動時主要依靠傳動系統進行，而制動系統對于一輛自行車而言同樣重要，自行車中的制動主要依靠車閘來完成，車閘和連桿之間是一個省力杠桿，能夠使得剎車皮的拉力加大。除此之外，自行車的飛輪與后輪具有相同的角速度，但是后輪線速度卻遠大于飛輪，因此，飛輪裝置也屬于省力機構。觀察自行車的前輪和后輪可以得到，車輪上都有輻絲，以前軸和后軸為中心，朝四方發散分布，當輪胎往下施加壓力時，除了車輪本身之外，輻絲同樣會受到壓力。在實驗室條件下對車輪的結構進行分析，發現當拆去自行車輻絲，車輪很快被壓扁。由此得知，自行車車輪上裝有的輻絲能夠使得整個車輪都穩固，分散壓在車輪本身上的力道，從而防止自行車損壞[5]。

3.3.4 慣性

當在無人的馬路上快速騎行時，忽然按住剎車，在剎車非常緊的情況下，前輪會收到阻力瞬間停住，而后輪會跳起來，這就是因為慣性的作用。在剎車的一瞬間，人和后輪并沒有直接受到來自剎車帶來的阻力，因此車和后輪會繼續保持之前的運動，即繼續前行，所以車體會以前輪與地面的接觸點為支點做轉動[6]。

4 結語

出行時候選用自行車作為交通工具，既能保證一定的速度，又能同時鍛煉身體，對于學生以及其他久坐族的身體十分有利，越來越多的人愿意騎自行車出門。而自行車具有結構簡單，方便實用的特點，本文主要對自行車中存在的簡單力學原理展開分析，有利于對一些力學知識進行理解，進一步理解一些其他的物理機構好力學現象。

參考文獻

[1]劉傳庠.自行車運動的有關力學問題[J].高等繼續教育學報，1994，（3）：27-29.

[2]蔡睿，陳亮，何申杰，等.公路自行車的動力學分析及仿真研究[J].中國體育科技，2014，（1）：125-128.

[3]苗英愷，陳佳.自行車急剎車時的力學分析[J].力學與實踐，2008，（1）：000104-106.

[4]李立.自行車運動踏蹬技術的生物力學研究[J].體育科學，1990，（1）：67-69.

[5]邱延君.自行車上的力學知識[J].初中生之友·青春號：中，2008，（29）：28-29.

[6]趙凱華M羅蔚茵.《新概念物理教程（力學）》序[J].中國大學教學，1995，（6）.