自行车涉及的力学原理浅析

王大中　郭洪存

摘 要：自行车具有结构简单，方便实用的特点，并且骑自行车既环保，又能锻炼身体，有益于身心健康。自行车主要是依靠传动装置的运动进行工作，其传动装置由主动和被动齿轮、链条以及变速器等组成，分析自行车的传动过程有利于我们了解自行车的工作原理，此外，自行车本身在设计的过程中同样应用了摩擦力、阻力等一些常见的力学知识，本文主要对自行车中存在的简单力学原理进行分析。

关键词：自行车；力学；机械结构

中图分类号：G634.7 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）03-0187-02

1 引言

自行车的历史可以追溯到上个世纪，距今的历史已百余年，现已发展成为人们日常生活中常用的交通工具。历史上最早的自行车是由一名叫做西夫拉克的法国人发明的，但那时候的自行车还与现在所说的自行车有很大的不同，它并未出现传动系统，使用者只能依靠两只脚不断的蹬地来保证自行车的不断前进，当时的自行车速度也并不理想，最多只能达到20公里/时。随着发展，苏格兰人在最开始的自行车上进行改进，引入传动系统，使得自行车的行驶速度得到大幅度提高，在清朝末期，传教士将自行车引入中国[1]。

近年来，环保绿色越来越成为引导人们健康出行的重要理念，而且骑自行车也有起到健身的功效，因此越来越受到人们的追捧，再加上共享单车的快速发展，自行车已经成为人们生活中重要的组成部分，甚至会成为部分人出行的首选，据估计，我国现约有六亿辆自行车。而自行车看似结构简单，但在其整个工作的过程中还有很多物理知识，而本文中主要讨论自行车中力学的内容。

2 自行车的组成

市面上的自行车虽然千差万别，但主要的组成部分却是大同小异，为了研究方便，本文调查了一种常见的自行车的组成结构，如图1所示。

3 自行车中的力学原理

3.1 自行车传动

自行车主要是依靠传动装置的运动进行，自行车的传动装置主要有由主动和被动齿轮、链条以及变速器组成。自行车前进主要靠前后两个轮进行，其中，后轮为主动轮，主要为自行车的行驶提供动力，而前轮为方向轮，用于掌握自行车的前进方向。后轮的运转是由飞轮所带动的，此时，飞轮与后轮之间具有相同的角速度，而后轮的半径比齿轮半径要大，因此后轮的线速度大于飞轮，从而为自行车的行驶提供动力[2]。链条所带动的传动机构中，其中，前齿轮为主动齿轮其齿数以c表示，后齿轮为被动齿轮，其齿数以f表示，而主动轮与被动轮之间齿数的比值记为齿轮比，以g表示，则前齿轮齿数、后齿轮齿数，公式为：g=c/f。

传动结构的结构示意图如图2所示。

除此之外，前轮、后轮、前齿轮、后齿轮各项运动参数表1所示。

其中，大齿轮与小齿轮之间以链条相连，因此两个齿轮之间的线速度相同，即：。如前所述，而后轮和小齿轮绕以同样的轴心进行转动，因此二者之间的角速度相同，即。

根据角速度与线速度以及半径之间的关系式，可以得到下述关系：

=

设人踩踏板的速度为V，则根据自行车的结构信息我们可以得到如下内容：

3.2 阻力

人每蹬脚蹬一下，都会为自行车的前进带来力量，而这个力量可以称之为前进力。前进力的大小与骑行者所运用的力道，自行车本身传动比以及曲柄的长度都有关联。前进力与用力、传动比、曲柄（即中轴到脚蹬的连杆）长有关。以Y代表前进力，Q代表踏蹬力量，I代表曲柄长度，D代表传动比，它们之间的关系用公式表示则为[3]：

Y=Q×I/D

前进力（Y）与踏蹬力量（Q），曲柄长度（I）成正比，与传动系数（D）则成反比。

当然，阻力的大小与风速有很大的关系，阻力和风速之间的关系表如2所示：

3.3 自行车设计中的力学

3.3.1 力在运动中的应用

（1）减小与增大摩擦。为了使得自行车骑起来更省力，需要尽可能地减小摩擦力，将滑动摩擦力变为滚动摩擦，比如在车轮的各个轴上使用轴承，采用滚轴，并且添加润滑剂能够更大地减小摩擦。为了使得自行车更加安全，还要在某些部位增大摩擦力，例如自行车的车胎表面、车把手和踏板等地方都制造有明显凹凸不平的纹理。当刹车时，自行车的车轮抱死，此时滚动摩擦变为滑动摩擦，摩擦力剧增，使得自行车能够较快停下；刹车时需要紧握住车闸把手，使得刹车皮对车轮的压力变大，增大摩擦力，从而让车轮停止转动。（2）弹簧的减震作用。不仅是自行车，许多的机械设备上的座垫都会安装有弹簧，能够起到减震缓冲的作用，这也是为什么坐在自行车座垫上的人会比坐在自行车货架上舒服的原因。一个简单的减震弹簧的案例图3所示。

3.3.2 压强知识的应用

（1）车胎承受的压力是有极限的，自行车车胎上一般标有载重量，如果超过最大重量，车胎受到的压强过大会使车胎损坏。（2）为了使得骑自行车的人在骑自行车的过程中尽量舒适，减小臀部所受的压力，所以车座被设计成马鞍型，增大受力面积，减小压力。（3）车胎的压力也会影响骑自行车的轻松程度。自行车的车胎存有大量的空气，用来支撑自行车的总体重量。如果车胎的空气较少，车胎的内压小于外界的大气压强。根据公式P=F/S，当F不变时，压强P减小，受力面积S要增大，原本的滚动摩擦变为滑动摩擦，摩擦力增大，降低自行车的骑行速度；如果车胎的空气较充足，自行车骑起来就会变得较轻松[4]。

3.3.3 簡单机械知识的应用

自行车在运动时主要依靠传动系统进行，而制动系统对于一辆自行车而言同样重要，自行车中的制动主要依靠车闸来完成，车闸和连杆之间是一个省力杠杆，能够使得刹车皮的拉力加大。除此之外，自行车的飞轮与后轮具有相同的角速度，但是后轮线速度却远大于飞轮，因此，飞轮装置也属于省力机构。观察自行车的前轮和后轮可以得到，车轮上都有辐丝，以前轴和后轴为中心，朝四方发散分布，当轮胎往下施加压力时，除了车轮本身之外，辐丝同样会受到压力。在实验室条件下对车轮的结构进行分析，发现当拆去自行车辐丝，车轮很快被压扁。由此得知，自行车车轮上装有的辐丝能够使得整个车轮都稳固，分散压在车轮本身上的力道，从而防止自行车损坏[5]。

3.3.4 惯性

当在无人的马路上快速骑行时，忽然按住刹车，在刹车非常紧的情况下，前轮会收到阻力瞬间停住，而后轮会跳起来，这就是因为惯性的作用。在刹车的一瞬间，人和后轮并没有直接受到来自刹车带来的阻力，因此车和后轮会继续保持之前的运动，即继续前行，所以车体会以前轮与地面的接触点为支点做转动[6]。

4 结语

出行时候选用自行车作为交通工具，既能保证一定的速度，又能同时锻炼身体，对于学生以及其他久坐族的身体十分有利，越来越多的人愿意骑自行车出门。而自行车具有结构简单，方便实用的特点，本文主要对自行车中存在的简单力学原理展开分析，有利于对一些力学知识进行理解，进一步理解一些其他的物理机构好力学现象。

参考文献

[1]刘传庠.自行车运动的有关力学问题[J].高等继续教育学报，1994，（3）：27-29.

[2]蔡睿，陈亮，何申杰，等.公路自行车的动力学分析及仿真研究[J].中国体育科技，2014，（1）：125-128.

[3]苗英恺，陈佳.自行车急刹车时的力学分析[J].力学与实践，2008，（1）：000104-106.

[4]李立.自行车运动踏蹬技术的生物力学研究[J].体育科学，1990，（1）：67-69.

[5]邱延君.自行车上的力学知识[J].初中生之友·青春号：中，2008，（29）：28-29.

[6]赵凯华M罗蔚茵.《新概念物理教程（力学）》序[J].中国大学教学，1995，（6）.