趙苒晨

自行車作為日常生活常見的交通工具，它具有結構簡單、使用方便等諸多優(yōu)點。我通過仔細觀察自行車，卻發(fā)現(xiàn)看似簡單的自行車上面，卻隱含著豐富的物理學知識。于是我懷著極大的興趣開始認真的觀察起自行車來，從自行車的結構設計到使用過程，我進行了認真的分析研究，并且在圖書館和網(wǎng)絡上面查閱了部分相關資料。我針對自行車中各個部件的設計所涉及的力學原理進行了歸納總結，并且聯(lián)系我們中學學習到的物理相關知識進行了簡單的分析。通過分析，我按照所主要涉及到的物理力學知識進行分類如下：

一、與摩擦力相關的部件設計

（一）為了增大摩擦力，在輪胎、車把套、剎車盤、腳踏板、車座下的坐桿上面都設計的有各種花紋，這樣通過增大接觸面的粗糙程度來增大摩擦力。

（二）為了減小摩擦力，在車把、前后軸、中軸、腳踏板、飛輪等轉(zhuǎn)動部件中需要經(jīng)常滴加潤滑油，這樣就達到了減小接觸面的粗糙程度的目的。另外這些轉(zhuǎn)動部分設計的都有滾珠，通過利用滾動摩擦比滑動摩擦小的多的原理減小了摩擦力。

二、與共點力平衡相關的結構設計

自行車的前后車架均采用三角形設計，車架作為主要的受力部件，這種設計利用了三角形三個角頂端受力后相互平衡，使自行車能夠承受較大的壓力。另外，停放時車支架和兩個輪胎可以構成三角形；騎行時兩手壓在車把上和臀部坐在車座上構成三角形；腳踏板和車座及車把構成三角形。這樣設計就利用了三角形穩(wěn)定性和三點合力與重力平衡的原理。

三、與杠桿原理相關的部件設計

自行車的剎車把、車把、腳踏板連接的曲柄、變速器調(diào)節(jié)手柄、車鈴柄均是省力杠桿，通過這些設計，實現(xiàn)了人們能夠用較小的力來獲得較大的力。

四、與壓強相關的部件設計

自行車的車座、腳踏板設計的比較寬大，大多數(shù)螺母的下面加的有墊圈，這樣設計的目的就是通過增大受力面積而減小壓強。

自行車輪胎則是利用壓縮氣體壓強比較大的道理，才使輪胎能夠承受較大的壓力。當然夏天的時候輪胎內(nèi)的氣壓不能太高，這是由于夏季陽光下氣溫高，輪胎內(nèi)的氣壓增大時容易造成爆胎。

五、與圓周運動相關的傳動和擋泥裝置設計

人騎自行車的時候是通過用腳踩腳踏板給自行車提供動力，腳踏板的曲柄是和鏈輪同軸轉(zhuǎn)動的，它們有相同的角速度。人的腳如果踏著腳踏板轉(zhuǎn)動一周，鏈輪就會轉(zhuǎn)動一周；而鏈輪和飛輪是通過鏈條連接，它們具有相同的線速度，同時鏈輪的齒數(shù)和飛輪的齒數(shù)比最大的達到十六比一，人如果通過變速器調(diào)整為最大的齒數(shù)比，鏈輪每轉(zhuǎn)動一周，飛輪就會轉(zhuǎn)動十六周；飛輪和自行車后輪是同軸傳動，飛輪轉(zhuǎn)動十六周，后輪在帶動下就會轉(zhuǎn)動十六周。飛輪內(nèi)部設計的有棘輪和一個很小的千斤頂，當人蹬著自行車前進的時候，千斤頂彈出頂者棘輪的齒，帶動飛輪轉(zhuǎn)動。當人騎車滑行的時候，棘輪的齒就會不斷的把千斤頂壓入槽內(nèi)，這時候就會聽到輕微的“噠噠”的聲音。

自行車的前后輪胎上面均罩有擋泥裝置，這是為了防止下雨天車輪上的泥水隨著車輪轉(zhuǎn)動的時候做離心運動甩到人身上，而且后輪上擋泥罩設計的比前輪上的擋泥罩長。

六、與彈性形變及動量定理相關的裝置設計

自行車的前叉、車座下、車閘處、車支架處均安裝的大小不一的彈簧，這些彈簧受力后發(fā)生彈性形變，外力撤去后能夠恢復形變。而自行車的前叉、車座下的彈簧以及沖氣的輪胎，則起到了緩沖路面坎坷不平時對人的彈力。因為根據(jù)動量定理，這些設計通過延長力的作用時間而減小了對人的彈力，增強了人們騎自行車時的舒適度。

七、未解之謎----自行車騎行過程中為什么不會倒？

自行車出現(xiàn)后的200多年來，眾多物理學家孜孜不倦地研究著自行車不倒的問題，以期尋求一個合理的解釋，他們提出了各種可能性的解釋。

可能性之一：陀螺效應

在對自行車穩(wěn)定性的解釋中比較常見的一種說法是自行車前輪的陀螺效應。因為當物體轉(zhuǎn)動時，它的離心力會幫助保持自身平衡，就像抽動旋轉(zhuǎn)的陀螺時，陀螺會圍繞著它的軸保持旋轉(zhuǎn)方向的慣性一樣。所以有人認為當自行車前輪轉(zhuǎn)動時，它的離心力會幫助保持自身平衡，就像抽動旋轉(zhuǎn)的陀螺時，陀螺會圍繞著它的軸保持旋轉(zhuǎn)方向的慣性一樣。

可能性之二：離心力效應

也有人認為當自行車往一側(cè)傾斜時，騎車人就會將前輪轉(zhuǎn)向同一側(cè)，由于前輪轉(zhuǎn)了一個角度，自行車就會沿著傾斜側(cè)的圓周行進，這時離心力向圓周外，就會將自行車扶正。根據(jù)這個解釋，自行車行進的速度越快便越容易控制，人們要是想把自行車騎的很慢卻很容易傾倒，所以說穩(wěn)定性與速度快慢是有關系的。通常速度越大，穩(wěn)定性也越好，所以在速度較高的時候，騎車熟練的人可以不用雙手控制車把。

可能性之三：腳輪效應

英國科普作家大衛(wèi)·瓊斯認為前叉轉(zhuǎn)軸與地面的交點位于前輪觸地點的前方，是影響自行車穩(wěn)定性的重要因素，稱為--腳輪效應。腳輪效應能使前輪的支承力產(chǎn)生對前叉轉(zhuǎn)軸的力矩，推動前叉朝傾斜方向轉(zhuǎn)動，使離心力效應的穩(wěn)定作用自動實現(xiàn)。

可能性之四：多重效應綜合作用

陀螺效應、腳輪效應和自行車前部重心位置這三點，雖然不會各自對平衡力起決定性作用，但可能三者有一股微妙的交互關聯(lián)，影響自行車的平衡力。

其實，關于自行車的結構設計和騎行原理，一定還有許多相關的物理力學知識，只是由于我相關學識的水平淺薄而不能夠一一解析，只能期望將來有機會能夠在此方面繼續(xù)探索。