自行車是人類發(fā)明的最成功的人力機(jī)械之一，是由許多簡(jiǎn)單機(jī)械組成的復(fù)雜機(jī)械.簡(jiǎn)單機(jī)械包括杠桿、滑輪、輪軸和斜面，在自行車中主要運(yùn)用的是杠桿和輪軸的知識(shí).下面我們就來認(rèn)識(shí)自行車上簡(jiǎn)單機(jī)械.

一、自行車中的杠桿

1.自行車的閘把.如圖1-1所示為閘把未工作時(shí)的實(shí)物圖，當(dāng)我們剎車時(shí)（如圖1-2），會(huì)抓住閘把的A點(diǎn)，施加動(dòng)力，閘把將繞著O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，并與固定部分分開.B處為剎車線，剎車線會(huì)對(duì)閘把施以阻力.將其簡(jiǎn)化成杠桿示意圖，可以發(fā)現(xiàn)閘把的動(dòng)力臂大于阻力臂，那它就是一個(gè)省力杠桿.人們用很小的力就能使車閘以比較大的壓力壓到車輪的鋼圈上，從而起到較好的剎車效果.

2.自行車制動(dòng)系統(tǒng)中的閘鉗.如圖2-1所示為閘鉗的實(shí)物圖.當(dāng)我們抓緊閘把（如圖2-2），剎車線將拉動(dòng)A點(diǎn)，對(duì)于閘鉗來說是動(dòng)力，閘鉗將繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，剎車皮B將被壓在輪轂上，車輪對(duì)閘鉗的力為阻力.通過杠桿示意圖，我們不難發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的動(dòng)力臂也是大于阻力臂的，這個(gè)閘鉗也是一個(gè)省力杠桿.

3.自行車的支撐架.人們騎自行車到達(dá)目的地后，經(jīng)常會(huì)把支撐架撐起，將車停放下來，而這個(gè)支撐架也是一個(gè)杠桿.如圖3所示，如果想把自行車停穩(wěn)，我們?cè)贏點(diǎn)用力即為動(dòng)力，彈簧的拉力為阻力，由圖可知，動(dòng)力臂大于阻力臂，這個(gè)支撐架是一個(gè)省力杠桿，讓我們能更省力地將自行車停穩(wěn).

二、自行車中的輪軸

1．車把（如圖4-1）相當(dāng)于一個(gè)輪軸（如圖4-2），車把相當(dāng)于輪，前軸為軸，當(dāng)我們想要改變行駛的方向時(shí)，會(huì)在車把上施加一個(gè)力，即在輪上施加動(dòng)力，此時(shí)前軸對(duì)車把的力為阻力，作用在軸上，由于R大于r，動(dòng)力就小于阻力，人們用很小的力就能轉(zhuǎn)動(dòng)自行車前輪來控制自行車運(yùn)動(dòng)方向和平衡.

2.中軸上的腳蹬和花盤齒輪.如圖5-1所示，它們組成了簡(jiǎn)單機(jī)械中的輪軸，腳蹬相當(dāng)于輪，花盤齒輪相當(dāng)于軸.圖5-2是腳蹬與花盤齒輪組成的輪軸示意圖.腳蹬（輪的半徑為R）花盤齒輪（軸的半徑為r），動(dòng)力F1是人腳對(duì)腳蹬的作用力，作用在輪的邊緣上.阻力是鏈條對(duì)花盤齒輪的拉力，作用在軸的邊緣上.因?yàn)槟_蹬半徑大于花盤齒輪的半徑，這個(gè)就是省力輪軸，也就是騎自行車感到省力的原因.

3.自行車后軸上的小齒輪和后輪（圖6-1）.圖6-2是后輪與小齒輪組成的輪軸示意圖.動(dòng)力F1是鏈條對(duì)小齒輪（半徑為r）的拉力.阻力F2是后輪（半徑為R）前進(jìn)時(shí)受到的阻力，作用在輪的邊緣上.由后輪的半徑大于小齒輪的半徑可知，這個(gè)就是費(fèi)力輪軸.

但是由于小齒輪每轉(zhuǎn)一圈，后輪也轉(zhuǎn)一圈，而后輪的半徑遠(yuǎn)大于齒輪的半徑，這就使小齒輪每轉(zhuǎn)一圈，后輪通過的距離增加了許多.又因?yàn)榇簖X輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，小齒輪要轉(zhuǎn)好幾圈.所以腳踏一圈，大齒輪轉(zhuǎn)一圈，這樣大大地增加了自行車通過的距離，這就是騎自行車快捷的原因.

其實(shí)自行車之所以這么快捷，還有一個(gè)很重要的原因，那就是前鏈輪和小齒輪（俗稱飛輪）的齒數(shù)比（圖7），我們以市場(chǎng)上較多的變速自行車為例.

例如，一輛普通自行車的車輪直徑為66cm.自行車上的“最低”齒數(shù)配比可以是前鏈輪22齒，后輪30齒.這意味著齒數(shù)比n為0.73比1.每蹬一圈，后輪將轉(zhuǎn)動(dòng)0.73圈.也就是說，每蹬一圈，自行車將前進(jìn)大約1.5m（s=πdn）；如果每分鐘蹬60圈，則速度約為5.4km／h.自行車上的“最高”齒數(shù)配比可以是前鏈輪44齒，后輪11齒.這時(shí)的齒數(shù)比為4比1.如果車輪直徑為66cm，則每蹬一圈自行車前進(jìn)8.3m.如果每分鐘蹬60圈，自行車的速度將達(dá)到30km／h.如果將蹬車的速率加倍到每分鐘120圈，則自行車的最高速度可達(dá)60km／h.5.4km／h到60km／h是一個(gè)彈性很大的速度范圍，自行車可以非常緩慢地爬上陡峭山坡，也可以像汽車一樣風(fēng)馳電掣！這就是自行車中齒輪的作用.

三、自行車上的摩擦

1.外胎：分軟邊胎和硬邊胎兩種.軟邊胎斷面較寬，能全部裹住內(nèi)胎，著地面積比較大，能適宜多種道路行駛.硬邊胎自重輕，著地面積小，適宜在平坦的道路上行駛，具有阻力小、行駛輕快等優(yōu)點(diǎn).外胎上的花紋（圖8-1）是為了增加與地面的摩擦力.山地自行車的外胎寬度特別寬，花紋較深（圖8-2），也是為了適應(yīng)凹凸不平的道路.

2.前軸、中軸及后軸：均采用滾動(dòng)鋼珠（圖9），這些滾動(dòng)鋼珠可以用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦以減小摩擦阻力，從而使人們?cè)隍T車時(shí)減小阻力.為更進(jìn)一步減小摩擦，人們常在這些部位加潤(rùn)滑劑.

3.車把：自行車車把一般刻有凹凸不平的花紋以增大摩擦，另外車外胎、蹬板套、閘把套等也是如此（圖10）.在剎車時(shí)，車輪不再滾動(dòng)，而在地面上滑動(dòng)，摩擦大大增加了，故車可以迅速停止.而在剎車的同時(shí)，手用力握緊閘把，增大剎車皮對(duì)鋼圈的壓力，以達(dá)到制止車輪滾動(dòng)的目的.

四、自行車中的其他物理知識(shí)

1.自行車的車架（圖11）一般都采用普通碳素銅管，經(jīng)過焊接、組合而成.為了減輕管重量，提高強(qiáng)度，較高檔的自行車還采用低合金鋼管制造.為了減少快速行駛時(shí)的阻力，有的自行車還采用流線型的鋼管.由于自行車是依靠人體自身的驅(qū)動(dòng)力和騎車技能而行駛的，車架便成為承受自行車在行駛中所產(chǎn)生的沖擊載荷以及能否舒適、安全地運(yùn)載人體的重要結(jié)構(gòu)體，車架部件制造精度的優(yōu)劣，將直接影響乘騎的安全、平穩(wěn)和輕快.一般輻條是等徑的，為了減輕重力，也有制成兩端大、中間小的變徑輻條，還有為了減少空氣阻力將輻條制成扁流線型（圖12）.

2.為了使人座在座墊上舒服點(diǎn)，座墊呈馬鞍形（圖13），它能夠增大座墊與人體的接觸面積以減小臀部所受壓強(qiáng)，使人騎車不易感到疲勞.

自行車有很多種類，包括普通自行車、場(chǎng)地自行車、山地自行車、速降自行車、旅行自行車、越野自行車、折疊自行車等，這些自行車大體結(jié)構(gòu)是一樣的，只是在某些部件上作出了改良，使之適合不同的場(chǎng)地，讓人們騎行更省力，更安全.