淺析自行車行進過程中的摩擦力

唐浩然

摘 要：本文對自行車行進過程中的摩擦力進行了分析；首先對自行車行進過程中整體受到的摩擦力進行了分析，之后分別詳盡解析了后車輪和前車輪在行進過程中摩擦力所起到的作用；結果表明前輪摩擦力主要為阻力，后輪摩擦力相當于牽引力，可以將騎行者的體能轉化為動能。

關鍵詞：摩擦力分析；轉動力矩；自行車

中圖分類號：O31 文獻標識碼：A

高中物理知識中，力學知識和運動學知識可以被廣泛用于日常生活問題的分析中。實際生活中，物體在運動時不可避免的會在接觸面上產生摩擦力，人們往往存在一種誤解認為摩擦力總是作為阻力出現的，然而實際情況并非如此[1]。自行車作為一種常見的代步工具，具有綠色無污染、方便快捷、不受城市路況限制等特點，因此受到了人們的普遍歡迎，自行車行進過程中會受到地面的摩擦力，但自行車前、后車輪的摩擦力所起到的作用是不同的[2]。本文對自行車行進過程中的摩擦力進行了簡要分析，在整體分析自行車摩擦力的基礎上，分別對前后輪摩擦力所起的作用進行了闡述。

1 自行車行進時摩擦力的整體分析

自行車與地面的接觸點位于前輪和后輪上，在啟動和行進中必然與地面之間產生摩擦力。騎行者騎行時，通過腳蹬和車鏈條將力傳導至后輪，后輪在F1和F2的共同作用下，相對于地面有了順時針轉動的趨勢。以地面為參照物，后輪與地面接觸點A存在向后運動的趨勢，那么后輪胎就會受到地面給它的向前的摩擦力fA。可以看出后輪是自行車的主動輪。與后輪相對，前輪作為自行車的從動輪，在主動輪產生的牽引力F作用下向前運動。前輪與地面的接觸點B相對于地面向前運動，因此后輪上產生的摩擦力fB方向向后。

可以看出自行車在行進過程中主要在前輪和后輪上與地面產生摩擦力，然而這兩個摩擦力的作用不同。對于后輪來說，如果地面光滑，后輪就會產生打滑現象，也就是說后輪在騎行者施加力時原地順時針旋轉。而現實情況是地面存在一定的摩擦系數，fA會在后輪軸上產生一個旋轉力矩，方向為逆時針旋轉，這個旋轉力矩的作用是騎行者施加于后輪輪軸的旋轉力矩，這個力矩的方向是順時針的，也就是說fA產生的力矩和騎行者施加的力矩共同作用，使得自行車運動，fA是自行車行進的牽引力。而fB則起到了阻力的作用。

2 自行車后輪所受摩擦力的具體分析

首先對fA進行詳盡的分析，自行車輪在行進時相當于剛體，只要車的行進方向固定，那么后輪的旋轉是在同一個平面內做平行的運動。對于這種運動，可以看作兩個運動的合成，即圍繞車輪軸的旋轉運動和整個車輪向前的平動。如圖2所示，后輪與地面的接觸點A由于順時針的旋轉運動產生一個相對于地面向后的線速度V2，同時，由于后輪隨著自行車向前運動，A點還存在向前的平動速度V1，因此后輪輪胎上A點的速度如式1所示：

V=V1-V2（1）

對后輪的功率進行計算，瞬時功率的計算公式如式2所示：

P=F×V（2）

式2中F為作用力，V為瞬時速度。根據功率的計算公式得到式3：

P=fAV1-fAV2（3）

如果后輪與地面不存在打滑的現象，那么V1=V2，此時P=0，fA相當于牽引力，而fAV1相當于牽引力在自行車行駛過程中加速車身的功率，而fAV2則是牽引力阻礙車輪順時針旋轉時產生的功率，也可以說這個功率是對騎行者體能進行消耗的功率。通過對摩擦力fA功率的分析可以看出fA一方面的作用是獲得騎行者施加于自行車的能量，另外一方面將這部分能力傳遞給車體，使自行車的動能不斷增加，fA在自行車行駛過程中實際起到了能量傳遞的作用。

3 自行車前輪所受摩擦力的具體分析

在對自行車行進過程中后輪所受摩擦力進行分析后，對前輪的摩擦力進行詳盡分析。騎行者施加的力主要作用于后輪，因此前輪是不存在外加力產生的轉動力矩的。前輪受到的摩擦力主要為B點產生的摩擦力fB，如果假設地面光滑，fB不存在，那么自行車行駛過程中前輪會隨著車身的移動做向前的平動，也就是說自行車行進時前輪之所以會轉動，就是因為fB的作用。可以說fB是自行車前進的阻力，但阻力有時候也有益處，例如當自行車在跨越障礙物時，如圖3所示，fB以及前輪和障礙物之間產生的摩擦力fB對于自行車跨過障礙物起到了助力作用。

4 結論

綜上所述，自行車在行駛過程中受到地面對自行車產生的摩擦力，摩擦力作用于后輪和前輪輪胎與地面的接觸點（A點和B點），后輪輪胎上的摩擦力相當于牽引力，作用是將騎行者施加于自行車的能力轉化為自行車的動能；前輪受到的摩擦力是阻力，但在自行車跨越障礙時起到了助力作用。

參考文獻：

[1]傅望峰，周水明.自行車行駛過程中摩擦力的分析[J].物理教學探討， 2007，25（2）：32-32.

[2]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.