一、自行車的發(fā)展史

1818年，德國人德賴斯發(fā)明了木制、帶車把的兩輪自行車，靠雙腳蹬地行駛.1839年，蘇格蘭的麥克米倫制成了第一輛由曲柄連桿機構(gòu)驅(qū)動后輪的鐵制自行車，用腳蹬踏板行駛.1861年，法國的米肖父子發(fā)明前輪大、后輪小、在前輪上裝有曲柄和能轉(zhuǎn)動的踏板的自行車，并于1867年在巴黎博覽會上展出，曾一度掀起自行車熱.

1869年，英國人雷諾首先用輻條來拉緊輪輞，用鋼管制成車架，并首先在輪輞上裝上了實心的橡膠帶，使自行車的重量大大減輕.1874年，英國的勞森開始在自行車上采用鏈條傳動結(jié)構(gòu)，但此時自行車仍是前輪大后輪小(圖1).

1886年英國人斯塔利在自行車上裝上車閘，使用滾子軸承，又將前輪縮小，使前后輪大小相同，并將鋼管組成菱形車架.在1888年，英國的鄧洛普成功地將充氣輪胎應用在自行車上，顯著地提高了自行車的騎行性能(圖2).從此，自行車的結(jié)構(gòu)基本上定型，后來人們在此基礎上又制成了山地自行車、折疊式自行車(圖3)等，自行車成為人們常用的一種交通工具.

二、自行車的結(jié)構(gòu)

自行車主要由車體部分、傳動部分、行動部分和安全裝置組成，根據(jù)需要可增加一些附件.四個主要部分又可分解為車架、前叉、前叉合件、車把、前軸、中軸、后軸、曲柄、鏈輪、腳蹬、飛輪、車輪(包括輪輞、車胎、輻條)、鏈條、鞍座、車閘、車燈、車鈴、尾燈等部件.裝有變速機構(gòu)的山地車和競賽車還裝備變速控制器、前撥鏈器和后撥鏈器等.自行車附件有衣架、支架、氣筒、保險叉、擋泥板等.車體部分主要由車架、前叉、車把、鞍座和前叉合件等組成.車架是用普通碳素鋼管經(jīng)釬焊而成的菱形桁架結(jié)構(gòu)，車架具有足夠的強度，可以承擔騎行者和運載貨物的重量，以及來自地面的沖擊力;前叉通過有上下兩組滾珠軸承的前叉合件與車架相連接，前叉在車架上可以靈活轉(zhuǎn)動;車把通過車把中心的斜楔式螺母，用旋緊把心絲桿的辦法固定在前叉的主管內(nèi)，使之與前叉連接成一剛性的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，以提供良好的操縱性能;鞍座通過一根鞍管與車架剛性連接，以承受人體全部重量，鞍座的高度可根據(jù)騎行者的需要調(diào)整.

傳動部分由腳蹬、曲柄、鏈輪、中軸、鏈條和飛輪組成.騎車人的雙腳踩動腳蹬，帶動曲柄做回轉(zhuǎn)運動，由鏈輪經(jīng)鏈條傳到后軸的飛輪而帶動車輪轉(zhuǎn)動.一般自行車的傳動速比是固定的，即行程是一個定值.較高級的和特殊需要的自行車都裝有不同形式的變速傳動裝置，常見的有中軸變速、傳動鏈變速和后軸變速三種.

行動部分的前后車輪，通常由前后軸部件、輻條、輪輞和輪胎組成.車輪的重量和輪胎的花紋、規(guī)格、質(zhì)量等都影響騎行的輕快性和舒適性;輪輞和輪胎的重量一般盡量減輕，以使騎行輕快;輕質(zhì)輪輞用鋁合金制造，輪輞通過輻條與前后軸連接.安全裝置主要是指制動器，即車閘，其次還有照明設備和鳴號裝置等.車閘是保證騎行者人身安全的重要裝置，車閘的種類繁多，基本上分為輪緣閘和軸閘兩類.輪緣閘是通過機械杠桿、推桿、拉桿或鋼絲繩等，直接將高摩擦系數(shù)的閘皮壓向輪胎或輪輞，以使車輪制停的裝置;軸閘是用各種方式來制停軸殼的裝置，這種車閘不受輪緣不正的影響，制動過程柔和平穩(wěn).

三、自行車上的簡單機械

自行車雖然是我們常用的代步交通工具，但也許你并沒有認真地觀察和研究過它.如果你仔細觀察，從自行車的結(jié)構(gòu)和使用上，你會發(fā)現(xiàn)它的很多方面都應用了我們學過的力學知識.下面以變速自行車為例，談談自行車結(jié)構(gòu)上所應用的部分簡單機械.

1.車把

自行車的車把與前叉軸構(gòu)成了一個輪軸，由于手把轉(zhuǎn)動的半徑大于前叉軸的半徑，所以相當于是一個省力杠桿，人們用很小的力就能轉(zhuǎn)動自行車前輪，來控制自行車的運動方向和自行車的平衡.

2.傳動系統(tǒng)

自行車腳踏板與大齒輪盤構(gòu)成了一個輪軸，腳踏板到輪盤中軸線的長(即大拐的長)是輪軸的輪半徑，大齒輪盤的半徑是軸半徑.顯然，輪半徑大于軸半徑，軸半徑是輪半徑的幾分之一，作用在輪盤上的力就是腳棒上力的幾倍，這個輪軸實質(zhì)上相當于省力杠桿.自行車的鏈條將輪盤與后輪上的飛輪又連在了一起，而飛輪與后輪在同一軸上，自行車前進時，飛輪與后輪同軸轉(zhuǎn)動，又組成一個輪軸.自行車的鏈條傳過來的作用在飛輪上的力是動力，使自行車前進，而地面對后輪的靜摩擦力是后輪轉(zhuǎn)動的阻力.飛輪是這個輪軸的輪，后輪是軸.飛輪的半徑是輪半徑，而后輪半徑是軸半徑，輪半徑是軸半徑的幾分之一，動力就是阻力的幾倍.也就是說，這個輪軸實質(zhì)上相當于費力杠桿.但是動力作用點移動的距離遠遠小于阻力作用點移動的距離，是費力省距離.這也就是我們騎自行車代替走路的緣故.

3.剎車系統(tǒng)

如圖4所示，剎車柄固定在O點，金屬絲從O點接出聯(lián)結(jié)剎車塊，它們構(gòu)成一個杠桿，這是一個省力杠桿，人們用很小的力就能使車閘以較大的壓力壓到車輪的鋼圈上.捏剎車柄時，帶動剎車塊抵緊輪胎.根據(jù)杠桿平衡條件，當手作用在剎車柄頂端與當手作用在剎車柄中部相比，所作用的動力臂越大，則所需要的動力越小.即當手在距O點越遠的地方捏剎車時，越省力.

除了上述的幾種簡單機械以外，自行車上還有不少簡單機械，同學們可以自己觀察.