趙苒晨

自行車(chē)作為日常生活常見(jiàn)的交通工具，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。我通過(guò)仔細(xì)觀察自行車(chē)，卻發(fā)現(xiàn)看似簡(jiǎn)單的自行車(chē)上面，卻隱含著豐富的物理學(xué)知識(shí)。于是我懷著極大的興趣開(kāi)始認(rèn)真的觀察起自行車(chē)來(lái)，從自行車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到使用過(guò)程，我進(jìn)行了認(rèn)真的分析研究，并且在圖書(shū)館和網(wǎng)絡(luò)上面查閱了部分相關(guān)資料。我針對(duì)自行車(chē)中各個(gè)部件的設(shè)計(jì)所涉及的力學(xué)原理進(jìn)行了歸納總結(jié)，并且聯(lián)系我們中學(xué)學(xué)習(xí)到的物理相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。通過(guò)分析，我按照所主要涉及到的物理力學(xué)知識(shí)進(jìn)行分類(lèi)如下：

一、與摩擦力相關(guān)的部件設(shè)計(jì)

（一）為了增大摩擦力，在輪胎、車(chē)把套、剎車(chē)盤(pán)、腳踏板、車(chē)座下的坐桿上面都設(shè)計(jì)的有各種花紋，這樣通過(guò)增大接觸面的粗糙程度來(lái)增大摩擦力。

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

二、與共點(diǎn)力平衡相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

三、與杠桿原理相關(guān)的部件設(shè)計(jì)

自行車(chē)的剎車(chē)把、車(chē)把、腳踏板連接的曲柄、變速器調(diào)節(jié)手柄、車(chē)鈴柄均是省力杠桿，通過(guò)這些設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了人們能夠用較小的力來(lái)獲得較大的力。

四、與壓強(qiáng)相關(guān)的部件設(shè)計(jì)

自行車(chē)的車(chē)座、腳踏板設(shè)計(jì)的比較寬大，大多數(shù)螺母的下面加的有墊圈，這樣設(shè)計(jì)的目的就是通過(guò)增大受力面積而減小壓強(qiáng)。

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

五、與圓周運(yùn)動(dòng)相關(guān)的傳動(dòng)和擋泥裝置設(shè)計(jì)

人騎自行車(chē)的時(shí)候是通過(guò)用腳踩腳踏板給自行車(chē)提供動(dòng)力，腳踏板的曲柄是和鏈輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的，它們有相同的角速度。人的腳如果踏著腳踏板轉(zhuǎn)動(dòng)一周，鏈輪就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一周；而鏈輪和飛輪是通過(guò)鏈條連接，它們具有相同的線速度，同時(shí)鏈輪的齒數(shù)和飛輪的齒數(shù)比最大的達(dá)到十六比一，人如果通過(guò)變速器調(diào)整為最大的齒數(shù)比，鏈輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，飛輪就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)十六周；飛輪和自行車(chē)后輪是同軸傳動(dòng)，飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)十六周，后輪在帶動(dòng)下就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)十六周。飛輪內(nèi)部設(shè)計(jì)的有棘輪和一個(gè)很小的千斤頂，當(dāng)人蹬著自行車(chē)前進(jìn)的時(shí)候，千斤頂彈出頂者棘輪的齒，帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)人騎車(chē)滑行的時(shí)候，棘輪的齒就會(huì)不斷的把千斤頂壓入槽內(nèi)，這時(shí)候就會(huì)聽(tīng)到輕微的“噠噠”的聲音。

自行車(chē)的前后輪胎上面均罩有擋泥裝置，這是為了防止下雨天車(chē)輪上的泥水隨著車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候做離心運(yùn)動(dòng)甩到人身上，而且后輪上擋泥罩設(shè)計(jì)的比前輪上的擋泥罩長(zhǎng)。

六、與彈性形變及動(dòng)量定理相關(guān)的裝置設(shè)計(jì)

自行車(chē)的前叉、車(chē)座下、車(chē)閘處、車(chē)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(fù)形變。而自行車(chē)的前叉、車(chē)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(shí)對(duì)人的彈力。因?yàn)楦鶕?jù)動(dòng)量定理，這些設(shè)計(jì)通過(guò)延長(zhǎng)力的作用時(shí)間而減小了對(duì)人的彈力，增強(qiáng)了人們騎自行車(chē)時(shí)的舒適度。

七、未解之謎----自行車(chē)騎行過(guò)程中為什么不會(huì)倒？

自行車(chē)出現(xiàn)后的200多年來(lái)，眾多物理學(xué)家孜孜不倦地研究著自行車(chē)不倒的問(wèn)題，以期尋求一個(gè)合理的解釋?zhuān)麄兲岢隽烁鞣N可能性的解釋。

可能性之一：陀螺效應(yīng)

在對(duì)自行車(chē)穩(wěn)定性的解釋中比較常見(jiàn)的一種說(shuō)法是自行車(chē)前輪的陀螺效應(yīng)。因?yàn)楫?dāng)物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的離心力會(huì)幫助保持自身平衡，就像抽動(dòng)旋轉(zhuǎn)的陀螺時(shí)，陀螺會(huì)圍繞著它的軸保持旋轉(zhuǎn)方向的慣性一樣。所以有人認(rèn)為當(dāng)自行車(chē)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的離心力會(huì)幫助保持自身平衡，就像抽動(dòng)旋轉(zhuǎn)的陀螺時(shí)，陀螺會(huì)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(yīng)

也有人認(rèn)為當(dāng)自行車(chē)往一側(cè)傾斜時(shí)，騎車(chē)人就會(huì)將前輪轉(zhuǎn)向同一側(cè)，由于前輪轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，自行車(chē)就會(huì)沿著傾斜側(cè)的圓周行進(jìn)，這時(shí)離心力向圓周外，就會(huì)將自行車(chē)扶正。根據(jù)這個(gè)解釋?zhuān)孕熊?chē)行進(jìn)的速度越快便越容易控制，人們要是想把自行車(chē)騎的很慢卻很容易傾倒，所以說(shuō)穩(wěn)定性與速度快慢是有關(guān)系的。通常速度越大，穩(wěn)定性也越好，所以在速度較高的時(shí)候，騎車(chē)熟練的人可以不用雙手控制車(chē)把。

可能性之三：腳輪效應(yīng)

英國(guó)科普作家大衛(wèi)·瓊斯認(rèn)為前叉轉(zhuǎn)軸與地面的交點(diǎn)位于前輪觸地點(diǎn)的前方，是影響自行車(chē)穩(wěn)定性的重要因素，稱(chēng)為--腳輪效應(yīng)。腳輪效應(yīng)能使前輪的支承力產(chǎn)生對(duì)前叉轉(zhuǎn)軸的力矩，推動(dòng)前叉朝傾斜方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使離心力效應(yīng)的穩(wěn)定作用自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

可能性之四：多重效應(yīng)綜合作用

陀螺效應(yīng)、腳輪效應(yīng)和自行車(chē)前部重心位置這三點(diǎn)，雖然不會(huì)各自對(duì)平衡力起決定性作用，但可能三者有一股微妙的交互關(guān)聯(lián)，影響自行車(chē)的平衡力。

其實(shí)，關(guān)于自行車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和騎行原理，一定還有許多相關(guān)的物理力學(xué)知識(shí)，只是由于我相關(guān)學(xué)識(shí)的水平淺薄而不能夠一一解析，只能期望將來(lái)有機(jī)會(huì)能夠在此方面繼續(xù)探索。