第二讲自行车中的物理

轮组
公路车轮组：轮胎细，法兰花鼓 额外宽 山地车轮组：胎面粗，花纹深， 摩擦力足，提供很大的弹力
变速传动
传动系统

“齿比 = 前大盘齿数 / 后飞轮齿数”，基本上自行车齿轮加链自行 车变速系统条的传动系统的作用是“将车手踩踏的能量 （马力）转 换成轮胎的扭力”。
“速度”由最大齿比（前大盘最大齿片对应后飞轮最小齿片）决定， 在同样踩踏回转数时，齿比越大，速度越快。例如一般27速登山车最 大齿比为“前44T，后11T，齿比 = 4”，车手踩一圈轮子会转 4圈， 速度最快但轮圈扭力最小，相对的车手踩踏的力道要最大，才能维持 使车子前进所需的扭力。
1.1山地车的由来

山地车 , 起源于美国 ,1974 年 ,Gary Fisher 、 Charlie Kelly 、 Tom Ritchey想要一辆可以在公路外骑行的自行车，远离“警察、汽车和建 筑物”，于是他们开始将配件和摩托车部件安装到二战前结实的单沙 滩车上。 同一年，Gary Fisher和他的朋友们无惧死亡的“塔马尔帕斯山之行” 为全新骑行风格的诞生铺平了道路。随着 Gary Fisher 在山地领域引 起的巨大反响，他的 Klunker 随后被 Mountain Bike Action 杂志评 选为“历史十大山地车”之一。 1976年Charlie Kelly开始推动焕然一新的下坡赛，这是第一个伟大的 山地自行车活动。Charlie Kelly委托制商 Joe Breeze 设计并开发越 野 自 行 车 ，这 是 有 史 以来 制 造 的 第一 批 “ 山 地自 行 车 ” 并命 名 为 “Breeze”。 Joe Breeze以Breeze为原型在1977年至1978年之间完成设计和制造了9 个系列的车型，Breeze的原型车现在在美国史密森学会的国家博物馆 收藏。

铬钼钢自行 车 优点 1.易加工 2.寿命长 3.乘骑感舒 适 缺点 1.太重 2.容易生锈
铝合金山地车，优点：轻便，不易腐蚀 缺点：弹性率低，需要高热处理，要用粗金属管
碳纤维公路车，优点：轻，不弯曲，吸收冲击力能力好 缺点：会老化，成本高，断裂无法修复
自行车坐垫
目前自行车的坐垫大概可分为两种： 1. 窄型细长的硬座垫，这种窄型的硬坐垫常见于运动型 单车，是设计给高速巡航用的。踩踏速度快时宽的坐垫容 易摩擦大腿内侧而疼痛，也影响踩踏动作所以设计细长而 窄。软的坐垫无法稳稳撑住身体影响踩踏效率，屁股就像 陷在沙发一样，软座垫与屁股接触面积大，踩得快屁股一 直动反而因为过多的摩擦而疼痛，硬质坐垫比较适合快速 的踩踏动作。 2. 宽大而软的舒适型座垫，这样的座垫较常见于入门车 种或休闲取向的单车，是设计给慢速巡航用的。宽大的设 计能让座垫跟屁股之间有较大而平均的支撑面积，软质的 座垫能提供较佳的舒适度，由于休闲取向的踩踏动作，不 须考虑宽而软的坐垫不适合高速踩踏的因素。
车架




车架： 15/16寸：适合身高：150cm-165cm； 17/18寸：适合身高：165cm-175cm； 19/20寸：适合身高：175cm-185cm； 21/22寸：适合身高：185cm-195cm： 15”/17”/19”/21”:为亚洲人设计车型 16”/18”/20”/22”:为欧洲人设计车型



前叉

为越野而生
避震 弹簧叉
阻力叉
油簧叉 油气叉
前叉

相同类型的前叉，除了使用的材 料跟重量，最大的差别就在油控 阻尼的不同。 举例来说，相同行程的气压的前 叉，若使用相同的油控阻尼，那 除了材料不同而产生的重量差与 制程公差的控制之外，在骑乘感 觉方面并没有差异，因此油控阻 尼可以说是前叉最具价值的一部 分。 在选购前叉时，它的油控阻 尼机制应该是你的第二考虑阻尼 都是利用油的黏滞特性，可参考 下图，当阻尼活塞在前叉作动时， 上面只有一些孔隙可以让油通过， 当油要挤进这个孔隙






要注意路面湿滑时，高扭力会导致轮胎打滑，就是扭力大于地面的摩 擦力时，无法前进，另外高扭力爬坡时还可能会翘孤轮。

传动系统

自行车的变速器，前 3 齿盘、后 9 齿盘的组合可变速为 27 。在此以山 地车自行车变速系统为例说明。 旋动脚蹬时，前齿盘旋转，通过链条把力量转递到后齿盘，车轮就 前进。前齿盘的大小（齿数）和后齿盘的大小（齿数）决定旋动脚 蹬时的力度。 前齿盘越大，后齿盘越小，脚蹬时感到费力（自行车前进的距离变 长）。 前齿盘越小，后齿盘越大，脚蹬时感到轻松（自行车前进的距离变 短）。 自行车的骑行是起跑、停止、上坡、下坡、迎风、顺风等情况下前 进。不管是任何条件下都能保持一定的速度 (自行车快速前进，或者 是慢速前进，都能保持一定的踩蹬步速和力矩，就要变速器。 你假若不要加大自已的力度，只加大齿轮比来快速骑行，那是不可 能的事。实际骑行过程中很快发现这一点的。加大齿轮比（高力矩、 低旋动）来骑行时，达不到最适当的骑行（放出最适当的能量的力 矩和旋转的组合）。这将会增加膝盖的负担和成为引起各种障碍的
二、自行车中的物理知识
1.自行车简介

自行车，又称脚踏车或单车，通常是二轮的小型陆上车辆。 人骑上车后，以脚踩踏板为动力，是绿色环保的交通工具。
英文bicycle。其中bi意指二，而cycle意指轮，即两轮车。

在中国内地、台湾、新加坡，通常称其为“自行车”或 “脚踏车”；在港澳则通常称其为“单车”（其实粤语通 常都这么称呼）；而在日本称为“自転（转）车”。

普通自行车坐垫
大而柔软， 坐起来舒 适
山地车坐垫
窄而长 感觉不舒 适
公路车坐垫
更窄更长
主要分为三类：V刹，碟刹，油压碟刹
V刹系统

平时最为常见的刹车系统，拉线带动卡钳内的刹车皮与车 圈摩擦来刹车，优点简单易调，缺点效果一般易磨损
碟刹系统
碟刹：拉线带动卡钳内的刹车片与碟盘摩擦，但是拉线刹车力度有限 油压碟刹：活塞压缩油液，带动刹车片与碟盘摩擦，刹车力更强，但成 本高，密封要求高

弹簧前叉

1.弹簧前叉: 工作原理：胡克定律
FN kx

单纯的弹簧前叉在专业山地车 中已经不常见了。 弹簧前叉加入油阻尼，就变成 为油簧前叉。这样做可以让前 叉缓慢回升，利于骑行。

气压前叉

2.气压前叉: 波义尔定律来解释 P1V1=P2V2其中，设P1为前叉未受压缩时 气室内的压力，而V1即为此时的气室体积， 而 P2 为前叉受压产生Δt的压缩量时气室 内的压力，V2为此时的气室体积。
而气室内气压对活塞(piston)的正向(在上图中为向下)作用力F，可表示 为 F = PA,A为活塞的表面积.而气室的体积 V 又可写为,V = LA 将上两 式带入可得,F1 * L1 = F2 * L2 压缩后的气室长L2即为原长L1减去压缩 量Δt，而压缩前叉的力F则为F2减去F1，等于F =(F1*L1/(L1-Δt))-F1 =F1*(Δt/(L1-Δt)),从上面这个公式我们可以发现当分子Δt，即弹簧压 缩量，增加时，分母项也同时减少，因此当前叉越受压缩，它抵抗压缩的 力量会非线性的快速增加。 以前面的例子来说，假设使行程压缩2公分需施力20公斤，当弹簧要有4公 分的行程压缩则可能要有60公斤的力。
车架
车架材质从最早的铬钼钢、进化到铝合金、然后 是复合材料的运用如碳纤维，其他还有钪合金、 镁合金、钛合金等，业者不断研发新材料配方， 提升管件与结构设计能力并创新加工技术，只为 了让车架更轻、更强、更舒适且更流线美观。 密度是决定车架重量的关键因素之一，密度愈低， 车架可以做到愈轻，铬钼钢的密度为7.9，铝合金 为2.6-2.9，钛4.5，钛合金4.3-5.1，碳纤维复材 1.6 ，镁合金 1.7 ，由此可知铬钼钢的密度最高， 碳纤复材最低。 然而车架除了重量外，还要考虑拉伸强度，弹性 系数等，所以虽然密度低，但强度不够也不行。


“爬坡”时用最小齿比（前大盘最小齿片对应后飞轮最大齿片），爬 坡的时候，车手不但要维持车子前进，同时还要上升高度，这个时候 需要增加扭力，在维持同样踩踏回转数的前提下，降低齿比有提高轮 胎扭力，例如一般 27 速登山车最小齿比为“前 22T ，后 34T ，齿比 = 0.65”，车手踩一圈轮子才转0.65圈，所以车手的体力都转
全球十大山地车品牌

1.Specialized （闪电）：美国品牌，堪称自行车界 BMW，它的公路、山地系 列做得尤其精湛。环法比赛用车。 2.TIME:法国著名自行车生产商。它的公路的车架系统、自锁系统的设计是世 界一流水平。 3.Colnago（梅花）：意大利著名公路自行车厂家。C40是该厂的顶级型号， 环意赛，世锦赛用车。 4.BMC:瑞士自行车生产商。主要产品是山地车、公路车、计时赛用车。BMC与 Easton合作开发的纳米碳纤管材是闻名于自行车界的独特设计。 5.Trek（崔克）：美国著名品牌，赞助的Discover Channel车队曾连续七次 赢得环法桂冠。 6.Schwinn ：美国知名品牌。旗下有以舒适著称的 Sierra ，质量上乘的 Frontier等。 7.Huffy：美国山地车知名品牌之一，他们生产的山地车舒适简单又坚固耐用。 8.Marin：以山地车见长。 9.Mongoose：美国的超级极限自行车品牌，中国BMX自行车国家队的赞助商 . 10.Cannondale：美国品牌，素以单臂著称，俗称“左撇子”。