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。

。

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。