自行车的力学原理

自行车的力学原理

【论文摘要】

自行车是我们日常生活中极其常见的一种交通工具。中国作为世界上的一个“自行车大国”，与自行车更过着不解的情缘。自行车的出现距今已有百余年的历史。最早的自行车是由法国人西夫拉克发明的，它没有传动系统，靠两脚蹬地向前滑行，最快只能达到时速20公里。后来苏格兰人皮埃尔发明了前轮带脚蹬的自行车。第一辆现代意义的自行车出现在19世纪末的英国，后由传教士带入中国。据统计目前中国有大约七亿辆自行车。骑自行车是当下户外活动的热门交通方式，它不仅有益身心健康，更体现了环保、自然的生活理念。简单的自行车中含有许多的物理知识，我们通过研究自行车来学习更多的物理知识。

一、【论文关键词】：自行车摩擦力刹车系统

摩擦力的大小跟两个因素有关：压力的大小、接触面的粗糙程度。压力越大，摩擦力越大；接触面越粗糙，摩擦力越大。自行车外胎有凸凹不平的花纹，这是通过增大自行车与地面间的粗糙程度，来增大摩擦力的，其目的是为了防止自行车打滑。当我们骑在自行车上时，由于人和自行车对地面有压力，轮胎和地面之间不光滑，因此自行车与路面之间有摩擦，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，后轮与地面相对向后运动，自行车就前进

在自行车的前轴、中轴、后轴、车把转动处，脚蹬转动处等地方，都安有钢珠。人们骑自行车总是希望轻松、灵活、省力。而用滚动代替滑动就可以大大减小摩擦力，因此要在自行车转动的地方安装钢珠，我们可以经常加润滑油，使接触面彼此离开，这样就可以使摩擦力变得更小。

刹车时，刹皮与车圈间的摩擦力，会阻碍后轮的转动。手的压力越大，刹皮对车圈的压力就越大，产生的摩擦力也就越大，后轮就转动的越慢。如果完全刹死，这时后轮与地面之间的摩擦就变为滑动摩擦力（原来为滚动摩擦，方向向前），方向向后，阻碍了自行车的运动，因此就停下来了。

把自行车的后轮看成是一个杠杆，轴心是定点，很明显，轴刹的力臂比轮刹的力臂短，所以作用在轮刹上的力可以更轻易使车轮停止转动。但是，轮刹和轮

框的接触只有两个面，只能产生两个摩擦力；而轴刹带和车轴的接触面类似于一个3/4优弧，可以产生多个摩擦力。这样，即使是在轴上刹车，也不用担心摩擦力过小而使不了车轮停止转动。

但是，在车速较快时使用轮刹刹车对轮刹伤害很大，因为轮刹刹车时与轮框上的刹车点是相对静止的，车速较大时自行车难以瞬间停下来，轮刹会随刹车点向前运动，容易造成歪曲变形。然而，轮刹却拥有类似与汽车ABS系统的点刹效果，且瞬间制动力好。

综上所述，在车速较慢时使用轮刹，能使自行车在最短时间内停下来，使用轮刹点刹，能使车速在较快的速度下迅速慢下来；而在车速较快时，使用轴刹能使自行车短时间内安稳地停下来，且不会损坏自行车零件。

自行车行进时轮胎与地面的摩擦力如何?

无论什么情况，前轮都是从动轮，摩擦力方向都是向后。

1、加速时，轮速大于车速，后轮是自行车前进的动力来源，所以后轮是主动轮。在接触面，后轮与地面相对向后运动，所以摩擦力向前，后轮速度大于车速，所以车会做加速运动。

2、减速时（不踩动），后轮的速度小于车速，因此后轮随车的向前运动而转动，所以后轮是从动轮。在接触面，后轮与地面相对向前运动，所以摩擦力方向向后。

3、匀速时，车受力平衡，人踩的力和车轮与地面的摩擦力抵消，车轮与地面相对向后运动，所以摩擦力向前。

为什么自行车不装ABS？

ABS”中文译为“防锁死刹车系统”.它是一种具有防滑、防锁死等优点的汽车安全控制系统. 在遭遇紧急情况时，未安装ABS系统的车辆来不及分段缓刹只能立刻踩死。由于车辆冲刺惯性，瞬间可能发生侧滑、行驶轨迹偏移与车身方向不受控制等危险状况！而装有ABS系统的车辆在车轮即将达到抱死临界点时，刹车在一秒内可作用60至120次，相当于不停地刹车、放松，即相似于机械自动化的“点刹”动作。从微观上分析，在轮胎从滚动变为滑动的临界点时轮胎与地

面的摩擦力达到最大。此举可避免紧急刹车时方向失控与车轮侧滑，同时加大轮胎摩擦力，使刹车效率达到90％以上。那么，为什么自行车不装ABS呢？

我们分析原因如下：⑴自行车速度较小，质量小，刹车制动力好，容易控制，不易侧滑⑵自行车的后轮的V型刹能做到ABS的点刹效果⑶ABS的价格高⑷ABS 的质量大。

〈八〉为什么自行车的链条会带动后轮转动，而后轮不会带动链条转动？

当向前踏动脚踏时，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。

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所以，链条正常转动会带动飞轮，而链条反方向转动不会带动飞轮，飞轮的转动不会带动链条。

二、自行车的物理知识

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。

4、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

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。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。

11、自行车上的杠杆

A、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。

B、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较大的压力压到车轮的钢圈上。

12、自行车上的轮轴

A、中轴上的脚蹬和花盘齿轮：组成省力轮轴（脚蹬半径大于花盘齿轮半径）。

B、自行车手把与前叉轴：组成省力轮轴（手把转动的半径大于前叉轴的半径）。

C、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）。

13、自行车内胎充气：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使胎内的压强增大，可以起到缓冲的作用，同时可以减小自行车前进的阻力。

气门芯的作用：充气内胎上的气门芯，起着单向阀门的作用，只让气体进入，不让气体外漏，方便进气，保证充气内胎的密封。

轮胎越大，阻力越大；轮胎的角速度与轴上的角速度相同；轮胎内充满气体，一是减少与地面的接触面积，减小滚动摩擦力；二是可以起到减振作用。

14、自行车上的红色尾灯，不能自行发光，但是到了晚上却可以提醒司机注意，因为自行车的尾灯是由很多蜂窝状的“小室”构成的，而每一个“小室”是由三个约成90度的反射面组成的。这样在晚上时，当后面汽车的灯光射到自行车尾灯上，就会产生反射光，由于红色醒目，就可以引起司机的注意。

15、自行车挡泥板安放的原因

是离心力的原理。当车轮转动时，车轮上每一个点都会产生离心力，离轮心越远离心力越大。当车轮与地面接触的时候，受离心力的作用，会把从地面上沾的污水向车轮运动的相反方向甩出，这就是为什么在下雨天骑没有挡泥板的自行车会把后背甩上污水，也就是自行车安放挡泥板的原因。

16、变速自行车靠的就是改变动力臂与阻力臂的比值来改变自行车的用力程度。

17、车的前轴、中轴及后轴均采用滚动以减小摩擦。为更进一步减小摩擦，人们常在这些部位加润滑剂。

多处刻有凹凸不平的花纹以增大摩擦。如车的外胎，车把手塑料套，蹬板套、闸把套等。变滚动摩擦为滑动摩擦以增大摩擦。如在刹车时，车轮不再滚动，而在地面上滑动，摩擦大大增加了，故车可迅速停驶。而在刹车的同时，手用力握紧车闸把，增大刹车皮对钢圈的压力以达到制止车轮滚动的目的。

18、弹簧的减震作用

车的座垫下安有许多根弹簧，利用它的缓冲作用以减小震动。

座垫呈马鞍型，它能够增大座垫与人体的接触面积以减小臀部所受压强，使人骑车不易感到疲劳。