Question

自行车的物理原理

一篇论文

Answer 1

自行车上的物理学知识

自行车的车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等25个部件中，其基本部件缺一不可。其中，车架是自行车的骨架，它所承受的人和货物的重量最大。按照各部件的工作特点，大致可将其分为导向系统、驱动系统、制动系统：

1、导向系统：由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。乘骑者可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。

2、驱动（传动或行走）系统：由脚蹬、中轴、链轮、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。人的脚的蹬力是靠脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动的，从而使自行车不断前进。

3、制动系统：它由车闸部件组成、乘骑者可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、停使、确保行车安全。

此外，为了安全和美观，以及从实用出发，还装配了车灯，支架等部件。

下面来具体介绍一些与力学知识有关的自行车部件：

1、车架部件是构成自行车的基本结构体，也是自行车的骨架和主体，其他部件也都是直接或间接安装在车架上的。

车架部件的结构形式有很多，但总体可以分为两大类：即男式车架和女式车架。

车架一般采用普通碳素铜管经过焊接、组合而成。为了减轻管重量，提高强度，较高档的自行车采用低合金钢管制造。为了减少快速行驶的阻力，有的自行车还采用流线型的钢管。

由于自行车是依靠人体自身的驱动力和骑车技能而行驶的，车架便成为承受自行车在行驶中所产生的冲击载荷以及能否舒适、安全地运载人体的重要结构体，车架部件制造精度的优劣，将直接影响乘骑的安全、平稳、和轻快。一般辐条是等径的，为了减轻重力，也有制成两端大、中间小的变径辐条，还有为了减少空气阻力将辐条制成扁流线型

2、外胎：分软边胎和硬边胎两种。软边胎断面较宽，能全部裹住内胎，着地面积比较大，能适宜多种道路行驶。硬边胎自重轻，着地面积小适宜在平坦的道路上行驶，具有阻力小，行驶轻快等优点。

外胎上的花纹是为了增加与地面的摩擦力。山地自行车的外胎宽度特别宽，花纹较深也是适应越野山地用。

3、脚蹬部件：脚蹬部件装配在中轴部件的左右曲柄上，是一个将平动力转化为转动力的装置，自行车骑行时，脚踏力首先传递给脚蹬部件，，然后由脚蹬轴转动曲柄，中轴，链条飞轮，使后轮转动，从而使自行车前进。因此脚蹬部件的结构和规格是否合适，将直接影响骑车人的放脚位置是否合适，自行车的驱动能否顺利进行。

脚踏：可分为整体式脚踏和组合式脚踏。无论什么款式的脚踏都必须有脚踏面，必须安全可靠，具有一定的防滑性能，可以选用橡胶、塑料或金属材料制造。脚踏必须转动灵活。

4、前叉部件：前叉部件在自行车结构中处于前方部位，它的上端与车把部件相连，车架部件与前管配合，下端与前轴部件配合，组成自行车的导向系统。

转动车把和前叉，可以使前轮改变方向，起到了自行车的导向作用。此外，还可以起到控制自行车行驶的作用。

前叉部件的受力情况属悬臂梁性质，故前叉部件必须具有足够的强度等性质。

5、链条：链条又称车链、滚子链，安装在连轮和飞轮上。其作用是将脚踏力由曲柄、链轮传递到飞轮和后轮上，带动自行车前进。

链轮：用高强度钢材制成，保证其达到需要的拉力。

6、飞轮：飞轮以内螺纹旋拧固定在后轴的右端，与链轮保持同一平面，并通过链条与链轮相连接，构成自行车的驱动系统。从结构上可分为单级飞轮和多级飞轮两大类。

单级飞轮又称为单链轮片飞轮，主要由外套、平挡和芯子、千斤、千斤簧、垫圈、丝挡几钢球等零件组成。

其单级飞轮工作原理：当向前踏动脚踏是，链条带动飞轮向前转动，这时飞轮内齿和千斤相含，飞轮的转动力通过千斤传到芯子，芯子带动后轴和后轮转动，自行车就前进了。

当停止踏动脚踏板时，链条和外套都不旋转，但后轮在惯性作用下仍然带动芯子和千斤向前转动，这时飞轮内齿产生相对滑动，由此将芯子压缩到芯子的槽口内，千斤又压缩了千斤簧。当千斤齿顶滑到飞轮内齿顶端时，千斤簧被压缩得最多，再稍微向前滑一点，千斤被千斤簧弹到齿根上，发出“嗒嗒”的声响。芯子转动加快，千斤也很快在各个飞轮内齿上滑动，发出“嗒嗒”的声音。当反向踏动脚踏时，外套反向转动，会加速千斤的滑动，使“嗒嗒”声响得更急促。多级飞轮是自行车变速装置中的一个重要部件。

多级飞轮是在单级飞轮的基础上，增加几片飞轮片，与中轴上的链轮结合，组成各种不同的传递比，从而改变了自行车的速度。

Answer 2

摩擦力

一. 摩擦力的应用

——自行车为什么能前进？

自行车也和其它车辆一样，是靠车轮与地面的摩擦力前进的。自行车由于自身有质量、有自重，车轮和地面都不光滑，压在路面上就会产生静摩擦力。当人骑上自行车，用力使自行车开始运动，后轮与地面产生静摩擦力，其方向与自行车前进方向相同，所以推动自行车向前运动。

二. 压力越大，摩擦力越大

——自行车为什么能停止？

制动装置（刹车）在自行车中有着十分重要的作用。刹车不灵而导致的交通事故屡见不鲜，自行车是采用什么方法来制动的呢？

自行车的刹车是利用摩擦力使自行车减速和停止前进。当我们使用刹车时，刹皮与车轮间的摩擦力，使车轮停止运动或速度减小，车轮与地面见的摩擦力由滚动摩擦变成滑动摩擦，强大的滑动摩擦力方向与自行车前进方向相反，使自行车迅速减速（或迅速停止运动）。

三. 增大粗糙程度，增大摩擦力

——自行车外胎上为什么有凸凹不平的花纹？

自行车外胎上有凸凹不平的花纹，可以增大自行车与地面间的粗糙程度，来增大摩擦力，防止自行车打滑。

急刹车时，滑动摩擦力对车辆外胎磨损十分大，若使轮子总处于滚动，而不滑动时，则可避免对车轮磨损。因此可设想在自行车上另设置一刹车备用（可金属、橡胶……），平时运动时，刹盘提起脱离地面，刹车时，将刹盘按下与地面接触，使刹盘在地面滑动，产生滑动摩擦力，使车辆迅速减速直至停止，避免自行车外胎磨损。

四.滚动摩擦力比滑动摩擦力小

——自行车哪些地方安钢珠？为什么安钢珠？

自行车应当骑起来越轻松、越灵活才越好、越省力，所以在自行车转动的地方，中轴、后轴、车把转动处，脚蹬转动处、飞轮等地方，都安有钢珠。转动地方安装钢珠是为了减小摩擦力，保护零件，节省动力，因为滚动摩擦比滑动摩擦小得多，用滚动来代替滑动可以大大减小摩擦，并经常加润滑油，使接触面彼此离开，摩擦变得更小、更省力。

杠杆

控制前轮转向的杠杆：自行车的车把，是省力杠杆，人们用很小的力就能转动自行车前轮，来控制自行车的运动方向和自行车的平衡。

控制刹车闸的杠杆：车把上的闸把是省力杠杆，人们用很小的力就能使车闸以比较大的压力压到车轮的钢圈上。

轮轴

一．自行车上的轮轴

中轴上的脚蹬和大齿轮：组成省力轮轴，由脚蹬半径大于大齿轮半径。

自行车车把与前叉轴：组成省力轮轴，手握把外的半径大于前叉轴的半径。

后轴上的齿轮和后轮：组成费力轮轴，齿轮半径小于后轮半径。

二．自行车行驶速度与车轮直径的关系

常见的自行车轮的直径有559mm（22英寸）、610mm（24英寸）、660mm（26英寸）、711mm（28英寸）的。骑28寸的比24寸的车费力一些，但速度快，因为28寸车轮的半径大，轮子每转一圈走的距离长一些，故速度快；半径大使轮轴的轴半径大，故费力。

三．自行车变速的道理

自行车能够前进运动，是靠人用车踩动脚蹬来提供动力，驱动后轮转动产生摩擦力而形成。而后轮的转动是通过链条把中轴、后轴上的链轮飞齿轮相连带动，两轮每个齿与各链条间的孔对应，大齿轮转过一个齿，齿轮也一定转过一个齿，绝不可能打滑。

四．变速车

新型变速自行车中，中轴链轮上有几个直径不同、齿数不同的齿盘，后轴飞轮有几个直径、齿数不同的齿盘，选择不同齿数的齿轮，通过链条相连带动，后轮转动的快慢就改变了，称为变速车。

气体体积减小，压强增大

早期的各种轮子都是木轮、铁轮，颠簸不已。现代自行车使用充气内胎主要是利用质量一定的气体体积减小，压强增大的原理。当路面不平给车胎带来冲击的时候，充气内胎的压缩和恢复有很好的缓冲作用，减小了颠簸，既保护了自行车，也减小前进的阻力，也使人感到舒适。

光的反射

有的自行车上有尾灯，还有一块黄色塑料片，不仅为装饰，主要是为反光而用。白天，红色等色最醒目，很远的地方都能看见，提醒司机注意；晚上人们骑车时，后面或侧面驶来汽车，车灯光射到自行车尾灯上，反射回去，提醒司机注意。