自行车中的力学

2013-11-12刘山佳

科技视界 2013年34期

刘山佳

（衡水滏阳中学，河北衡水 053000）

0 引言

目前中国已经成为了全世界第二大经济体，世界瞩目。但是，随着经济水平的提高，我国的环境却出现了明显的恶化，特别是严重的雾霾天气，已经对广大人民的健康生活带来了危害。随着环境问题的日益突出，绿色低碳生活成为了人们谈论最多的话题，其中自行车作为一种完全绿色健康的生活方式，在各大城市中均掀起了一股“骑行热潮”。自行车的出现距今已有百余年，最早是由法国人西夫拉克发明的。而第一辆现代意义的自行车则出现在19世纪末的英国，后由传教士带入中国。

自行车分为公路自行车、场地自行车、三项赛/计时赛自行车、山地自行车、速降自行车、斜躺自行车、旅行自行车、广告自行车、越野公路车、双人/多人自行车、折叠车、电动自行车、小轮车等多种用途和种类，但不论哪种其基本结构和力学原理都是一样的。

1 自行车的基本结构

自行车的基本结构包括：1）前轮；2）辐条；3）花鼓；4）前叉；5）前刹； 6）钢索；7）刹车及变速把手；8）车把；9）竖杆；10）车架；11）前变速；12）车座杆；13）车座；14）后刹；15）货架；16）飞轮；17）反光镜；18）后轮； 19）后变速；20）脚撑；21）气门；22）后轮；23）链条；24）轮盘；25）脚踏；26）曲柄等等。

2 自行车受力分析

根据自行车的构造可以看出，后轮为主动轮，是整个车体的驱动部分，而前轮为从动轮，在自行车运动时两个轮子均成顺时针转动，那么两个轮子的受力状况存在什么区别呢？下面我们分别对两个轮子的受力状态进行分析。

首先是后轮，其受力分析如下图1所示，后轮通过脚踏板和链条等传动装置，获得一个来自人力的力矩M1，因此呈顺时针方向转动，由于车轮相对于地面呈向后运动的趋势，所以会受到地面对其向前的摩擦力Fs，其力矩为M2，这就是驱动自行车向前运动的作用力。

图1 自行车后轮受力作用图

我们再来看前轮，其受力分析如下图2所示，由于前轮为从动轮，因此它会被迫成顺时针方向转动，因此其相对地面的运动趋势为向前，所以会受到一个向后的摩擦作用力Fs'。

因此整个自行车体水平方向受到的作用力共3个，即后轮的向前摩擦力Fs，前轮的向后摩擦力Fs`和风阻力Fw。因此整个车体受到的合力为：

因此，相同的人，相同的车体及相同的风阻情况下，自行车的驱动力受前后轮的摩擦力之差决定。因此在自行车的设计中采用了一些方式强化摩擦力，比如轮胎使用了硬质橡胶材料制作，并在表面刻意布满了各式各样的花纹，表面布满花纹是利用了增大表面粗糙程度的方式增大摩擦，采用橡胶材料是因为橡胶的动摩擦因数比较大。同时利用这两种措施，就可以有效的增大摩擦，从而提高自行车的工作效率。

3 自行车传动装置分析

自行车中另外一个重要的部分是传动装置，主要包括主动齿轮、被动齿轮、链条及变速器等。

设大齿轮、小齿轮与后轮的线速度分别为V1、V2和V3，由于大小齿轮之间用链条相连，,因此大小齿轮盘沿线速度大小相同，即V1=V2，而小齿轮和后轮之间又通过轮轴相连，因此他们的角速度相同ω˙2=ω˙ 3，则由V=Rω，可以计算得出V3与V2的比值正比于两者的半径比。

我们通过进一步计算，可知人踩踏板速度V和后轮转动速度V3之间的关系，踏板和大齿轮盘同轴，则

4 自行车刹车系统

目前主流的刹车装置分为两种：即V刹和碟刹。

碟刹是通过夹器作用在固定在花鼓上的钢制碟片制动的；V刹是通过V刹夹器抱紧车圈来制动的，相对而言，车圈半径要比碟刹碟片半径大太多了，因此碟刹的制动力臂要小的多，因此理论上更加不容易抱死，抱死对于自行车的刹车要求来说是最基本的，但是不是越容易抱死越好。

V刹的摩擦是橡胶混合物和车圈接触摩擦，一般制动效果还是很强劲的，除非在持续高速下坡，持续刹车，强烈的摩擦使车圈温度过高，这种情况下刹车的制动力会有所减弱。温度越高，刹车效果也随之越下降得厉害。

碟刹是金属的碟片和碟刹摩擦块儿之间摩擦来制动，这样的制动就非常强劲了，和汽车和高档摩托车类似，特点是不受雨水和恶劣路况天气的影响，因为碟刹摩擦块儿是金属烧结物，这样和钢片摩擦，即使是雨天和有泥浆的情况下，工作情况依然良好，制动力下降虽然明显，但是也强于V刹的橡胶和铝合金车圈摩擦。还有就是因为碟刹盘片是钢制的，而且一般带孔，在持续下坡刹车过程中碟片散热效果也比V刹要好些。

一般在城市里较好路况下行驶的普通自行车，由于要考虑到尽量减轻整车重量，一般采用V刹，而为各种地形与路况设计的山地车，大多为克服恶劣的路况而采用碟刹。