浅议自行车用到的物理知识

隋淑君 齐全

关于自行车的发明，众说纷纭，但是可以肯定的是：较为实用的自行车，是在18世纪中叶出现的.它是经过多次改进，不断完善而成的.如今的自行车家族，可谓‘人丁兴旺：加重自行车、轻便自行车、坤式自行车、山地自行车、赛车、童车、变速自行车、折叠自行车……现代自行车的制造，融入了更多的科学技术与合成材料，使得自行车更舒适、轻便.自行车虽然从大小、样式等方面发生了巨大变化，但是基本结构及原理，驾驶技巧等几乎没变.

1基本结构及物理原理

用于掌控方向的“车把”，是一个省力杠杆，也是一个变形的轮轴.自行车用杠杆、轮轴的地方很多，例如，车闸手柄、曲柄、都是省力杠杆；飞轮、齿盘、都是轮轴.

为了减少摩擦，自行车的转轴部分都安装了轴承，例如中轴、前后轴、前叉、飞轮内部，轴承是用滚动摩擦代替滑动摩擦，目的是为了减小摩擦.不过自行车也有故意增大摩擦的地方：手把、脚蹬、轮胎、鞍座表面等，都有各种各样的花纹，就是利用增大接触面的粗糙程度，来增大有益摩擦力的.

自行车的“三角架”、后衣架、等处的三角形结构，充分利用了三角形的稳定性，从而最大限度地减少车体质量，也就是减少车重（G=mg），使自行车更轻便.

“鞍座”制成马鞍形，是为了增大受力面积而减少压强；在鞍座下有减震弹簧，弹簧的减震原理是：根据冲量公式Ft=ΔP可知，冲量一定时，延长作用时间，可减小作用力，当然充气的轮胎，也起到一定的减震作用；说到给轮胎充气，还真有不少说道呢，通常后胎气压稍大250 Pa左右，前胎200 Pa左右即可，不能充气过足，根据查理定律P/

=C可知：体积一定时，压强与热力学温度成正比，特别是夏天，在阳光暴晒下气压变大，会发生爆胎；自行车的气门塞，是一个单向阀门；给自行车打气时，打气筒会发热，这是打气时，活塞对气体做功，使气体内能增大的缘故.不过也总有人认为，这是活塞与气筒摩擦所致，可验证如下：不接轮胎，空压打气筒手柄数次，打气筒不会发热；堵住打气筒出气口，按压打气筒手柄同样次数，打气筒会发热，说明是活塞对气体做功，使气体内能增大.

当你骑着自行车行驶时，可曾想到：后轮与地面的摩擦力，才是使自行车向前运动的动力.你踏动脚蹬，通过齿盘经链条、飞轮驱动后轮，使后轮产生一个绕轴的转动力矩，地面与轮胎的磨擦力阻止车轮转动，于是车轮沿地面向前滚动.而前轮与地面的摩擦力方向向后，正是这个阻力，增加了你的疲劳感.

变速自行车设计的非常巧妙，行进中可变换使用，飞轮上直径不同的齿盘.公式P=Fv表明：功率一定时，速度越大牵引力越小，所以路况好时，使用飞轮上直径较大的齿盘，尽可能地提高自行车速度.

现代自行车，为了适应交通法规的要求，还装有振铃和尾灯，用拇指拨动按钮，铃锤敲打铃壳，铃壳震动发出清脆的铃声，按钮是一个拇指肚大小的圆片，应用了“增大受力面减少压强”的原理，体现了以人为本的设计理念；尾灯是由多个小三棱锥组成的红色反射面，能够使汽车灯光发生漫反射，汽车驾驶员在不同角度，都能看到反射的红光，这里巧妙地应用了，“不透明物体的颜色，是由它反射的色光决定的”这条物理规律.

2运动现象及其成因

行驶在平坦路段，即使停止用力，自行车也会向前“滑行”一段，显然是惯性现象；如果在下坡路段，即使不用力，自行车也会越来越快，这是重力势能转化为动能的缘故，公式E=1/2Mv2告诉我们：人和车的总质量M不变，当动能E变大时，自行车速度v变大，不过要注意噢，刹车时一定要先刹后轮，如果先刹前轮，由于惯性，人和车继续向前运动，后轮易“弹起”，使人前倾，发生危险；你还会发现：越是用力握闸柄，刹车距离越短，这是因为刹车时，通过省力杠杆闸柄、“刹车线”、“刹车组件”给“刹车皮”（俗称闸皮）施加压力，从而增大刹车皮与车圈的摩擦力，因为接触面积一定时，压力越大摩擦力越大.

3驾驶技术的物理依据

要说车技，当首推自行车杂技演员，惊险奇特的动作令人眼花缭乱.然而一般人骑车也要有一定技术：上坡前要猛蹬几下，加快运动速度，以便有更多的动能（E=1/2Mv2），用来转化为重力势能（E=mgh）；如果上较长的坡，还可走S形路线，虽然多走了路程、多用了时间，但是总比直接上坡容易些；从公式W=FS可知，做功（W）一定时，增加作用距离（s），可以省力（F）；从公式P=W/t可知：做功（W）一定时，增加做功时间（t），可减小输出功率（P），这是走S形路线，容易上坡的奥秘.

骑车转弯时，身体向弯道内侧倾斜，是重力与地面对车轮支持力的合力，为作圆周运动的骑车者，提供了必要的向心力.

车技再高，也必须在一定速度下才能保持平衡，这是“陀螺效应”.所谓“陀螺效应”可简单理解为：物体转动时，离心作用使物体自身保持平衡.自行车以一定速度运动，是前后两轮的转动，维持了车体的平衡.

常骑自行车的人，往往有这样一个常识：用后衣架带重物时，最好用长布袋垂挂于两边，这样才平稳.这是“重心低稳度大”的缘故.

自行车是人类制造的交通工具中，最为环保的一种，骑自行车即锻炼身体，又不会对环境造成污染，自行车代步，是真正的“低碳”行动.