（山东省平度第一中学高一崇真二班，266700）
摘要：在当今人们的日常生活中，自行车是一种重要的交通工具，既轻便又环保。它的结构虽不复杂，其中却蕴含了很多物理问题。自行车主要由支撑架构、车轮、传动装置、转动装置和制动装置五个部分组成，它的每一部分的设计都有着丰富的物理原理。涉及了运动学、力学、压强、摩擦、能量转化等方面的知识。通过对自行车静止时和运动时的物理知识的研究，全面了解自行车中所蕴含的物理知识，并且对这些物理知识逐个加以说明，深入挖掘一些自行车中潜在的但又被大家所忽略的物理规律和物理原理，总结出自行车中的物理知识，为今后的物理实验探究提供理论依据。
关键词：自行车；传动；制动；运动；摩擦
引言：
日常生活中有许多事物看似非常简单，却涉及了很多物理问题，需要运用物理学原理去解释，例如我们非常熟悉的自行车。我国是是世界上自行车拥有量最多的国家，这种简单的代步工具已经逐渐影响着人们的生产生活，尤其是绿色环保出行的相关倡导下，使得自行车在人们的生活中逐渐扮演着重要的角色。自行车主要由支撑架构、车轮、传动装置、转动装置和制动装置五个部分组成，它的每一部分的设计都有着丰富的物理原理。涉及了运动学、力学、压强、摩擦、能量转化等方面的知识。
本文将对自行车中的物理知识进行分析，并就其运用方面进行探讨。
一、运动原理
自行车的车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等部件，其中，车架是自行车的骨架，它所承受的人和货物的重量最大。车架一般米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，自行车应该采用流线型的钢管。
按照各部件的工作特点，大致可将其分为导向系统、驱动系统、制动系统。
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。前叉部件在自行车结构中处于前方部位，它的上端与车把部件相连车架部件与前管配合，下端与前轴部件配合，组成自行车的导向系统转动车把和前叉，可以使前轮改变方向，起到了自行车的导向作用。此外，还可以起到控制自行车行驶的作用。前叉部件的受力情况属悬臂梁性质，故前叉部件应该具有足够的强度等性质。
2、驱动（传动或行走）系统：由脚蹬、中轴、牙盘、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。自行车是传动式机械，它的传动装置包括主动齿轮、被动齿轮、链条及变速器等齿轮比与传动比关系着自行车的使用效率后轮运转实质在于：在链条传动下的飞轮带动后轮转动，飞轮与后轮具有相同的角速度，而后轮半径远大于齿轮半径，由线速度增大，提高了车速。脚蹬部件装配在中轴部件的左右曲柄上，是一个将平动力转化为转动力的装置。自行车骑行时，脚踏力首先传递给脚蹬部件，然后由脚蹬轴转动曲柄、中轴、链条飞轮，使后轮转动，从而使自行车前进。飞轮工作原理：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，芯子帯动后轴和后轮转动，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，千斤又压缩了十斤簧。当千斤齿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。多级飞轮是自行车变速装置中的一个重要部件多级飞轮是在单级飞轮的基础上，増加几片飞轮片，与中轴上的链轮结合，组成各种不同的传递比，从而改变了自行车的速度。即后轮的转动是通过链条把中轴、后轴上的链轮飞齿轮相连带动，两轮每个齿与各链条间的孔对应，大齿轮转过一个齿，齿轮也一定转过一个齿，绝不可能打滑。变速自行车正是通过调整齿轮比来达到变速目的。变速自行车中，中轴链轮上有几个直径不同、齿数不同的齿盘，后轴飞轮有几个直径、齿数不同的齿盘，选择不同齿数的齿轮，通过链条相连带动，后轮转动的快慢就改变了。
3、制动系统：它由车闸部件组成，包括刹把，闸线，刹车装置等。制动方式大致有：钳形闸制动、悬臂闸制动、V形闸制动、抱闸制动、倒闸制动、碟形闸制动等分别适合不同的车型。乘骑者可以随时操纵车，使行驶的自行车减速、停驶、确保行车安全。
二、自行车的力学知识
1、运动和力的应用
1.1增大和减小摩擦
自行车在行驶的过程中，各个相互接触的部件间产生相对运动，这些地方就存在摩擦。手与车把间摩擦、车轮与地面间摩擦、间皮与车轮间的摩擦等都是有益摩擦。用摩擦系数较大的橡胶制作车把上的胶套，在胶套上刻上花纹来增大手与车把间摩擦：在轮胎外壳上刻上花纹来增大车轮与地面间摩擦，采用増大压力的方法来增大闻皮与车轮间的摩擦。前轴、中轴、后轴、脚蹬、车把与车架间等各个转动部位的摩擦都属于有害摩擦。减小这些有害摩擦的方法是在转动部位安装轴承，利用滚动摩擦代替了滑动摩擦：通过向这些部位加上黄油（钙基润滑脂）或机油进行润滑。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。自行车外胎有凸四不平的花纹，这是通过增大自行车与地面间的粗植程度，来増大摩擦力的，其目的是为了防止自行车打滑。自行车的外胎，车把手塑料套、踏板套、闸把套等处均有四凸不平的花纹以增大摩擦，刹车时，手用力握紧车闸把，增大刹车皮对车轮钢圈的压力，以达到制止车轮滚动的目的，刹车时，车轮不再滚动，而在地面上滑动，变滚动为滑动后，摩擦大大增加，所以车能够迅速制动。车的前轴，中轴及后轴均采用滚动以减小摩擦。为更进一步减小摩擦，人们常在这些部位加润滑剂。多处刻有凹凸不平的花纹以增大摩擦。刹车时，车轮不再滚动，而在地面上滑动，摩擦大大增加了，故车可以迅速停驶。而在刹车的同时，手用力握紧闸把，增大刹车皮对钢圏的压力以达到制止车轮滚动的目的。
1.2弹簧的减震作用
轮胎的减震作用：在自行车车胎中充有适量的压缩空气，压缩空气具有很大的压强，可以增强弹性。同时在车的鞍座中装有粗的螺旋状的弹簧，通过弹簧的弹性形变减弱车的震动。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆通过这些方法可以使自行车骑行平稳，减少颠跛。
2压强知识的应用
2.1自行车负重
自行车的车胎上刻有载重量，明确告诉人们不能超载，如车载过量，车胎受力面积不变，则车胎受到太大的压强将被压破。自行车的内胎要充够足量的气体在气体的体积、温度一定时，气体的质量越大，压强越大。
2.2车座上的物理
座垫呈马鞍型，它能够增大座垫与人体的接触面积以减小臀部所受压强，使人骑车时感到较舒适。
2.3简单机械知识的应用
自行车是一种机械，它由许多的简单机械构成：执行部分中的车把、控制部分中的车间把、后闸部件中的前曲拐、后曲拐及支架、货架上的弹簧夹、车铃的按钮等部件都属于杠杆。传动部分中的脚蹬与大齿轮盘构成一个动力作用在轮上的省力轮轴，飞轮与后轮则构成一个动力作用在轴上的费力轮轴：执行部分的车把也可以看作一个轮轴。自行车的各个部件是靠螺丝来连接和紧固的，螺丝上的螺旋是一个绕在圆柱体上的斜面自行车制动系统中的车闸把与连杆是一个省力杠杆，可增大刹车皮的拉力。另外链轮牙盘与脚蹬，后轮与飞轮，车龙头与转轴等都是轮轴，利用它们可以省力。自行车的车把相当于一个轮轴，车把相当于轮，前轴为轴，是一个省力杠杆，自行车的脚踏板与中轴相当于一个轮轴，实质为一个省力杠杆。自行车的飞轮也相当于一个省力的轮轴。
车把上的闸是省力杠杆，人们用很小的力就能使车闸以比较大的压力压到车轮的钢圈上。自行车的车闸是利用摩擦力使自行车减速和停止前进。当我们使用车闸时，刹皮与车轮间的摩擦力，使车轮停止运动或速度减小，车轮与地面间的摩擦力由滚动摩擦变为滑动摩擦。强大的滑动摩擦力使自行车迅速减速。
2.4能的知识运用
动能和势能的相互转化。骑自行车上坡前，人们往往要加紧蹬几下，使车的速度（动能）增大，“动能冲坡＂，即以较大的动能转化为较大势能，能够较容易到达坡顶；而骑车下坡时，不用脚蹬，车速也越来越快，这是势能转化为动能。动能不断增大，所以车速也不断增大。
2.5刹车和惯性
自行车高速行驶特别是下坡时，不能单独用前闸刹车，否则会出现翻车事故，其原因是：前闸刹车，前轮被迫静止。而作为驱动轮的后轮车架和骑车人由于惯性还要保持原有的高速运动的趋势，这时就会以前轮与地面接触处为支点，向前翻转，造成翻车事故。
当人骑自行车前进时，若遇到紧急情況，一般情况下要先捏紧后刹车，然后再捏紧前刹车，或者前后一起捏紧，这样做是为了防止人由于惯性而向前飞出去。
三、热学知识及运用
1、众所周知，为了防止自行车爆胎，夏天时自行车轮胎内的气不能充太足，就体积、质量一定的气体而言，压强会随着温度的升高而升高，而当其超过轮胎承受范围的情况下，显然会发生爆胎现象，这也是在运用自行车过程中需要注意的问题。
2、用打气筒给自行车车胎打气时，短时间内气筒壁就会热起来，究其原因看来，此过程中打气筒的活塞压缩气体做功，势必会增加气体内能，在此基础上，气体内能传给筒壁，继而提高了筒壁温度，加之此环节为克服活塞和筒壁摩擦力做功过程，这样显然就增加了筒壁内能，促使其温度升高。
四、声学知识及运用
从物理学的角度来看，自行车对声学知识得运用主要体现在两个方面，一个是骑行过程中，有些部位零件松动时，会引发振动，产生声音；另外一个是由于铃盖在不停的振动使得自行车发出的金属车铃声，这是对声学的具体运用。
五、电学知识及运用
就自行车的运用看来，一些自行车上装有小型发电装置，在其工作原理方面，其利用摩擦转动来实现照明，类似于我们在实验室用到的手摇发电机，从而将发出的电能提供给车灯工作。
六、光学知识及运用
经过仔细观察我们可发现，很多自行车的后面装有一个尾灯，有着极为巧妙的设计，具体分析看来，其由三个相互垂直的平面镜组成，最终以一个立体直角的形式呈现，所以也叫做角反射器，将其内表面作为反射面进行运用，一旦有光线从任意角度射向尾灯时，这种装置就可以将光反向射回，这种情况下，一旦光线射向反光镜时，可以及时提醒后边的可以看到前面的自行车，避免发生不安全的碰撞等，此外，在夜间时，当自行车前行的过程中，后面有汽车经过时，汽车灯光照向自行车尾灯的前提下，不管是入射的灯光来自哪个方向，其对应的反射光都可以反射向汽车，同时相比于一般的漫反射光，这种反射的光强显然更大，类似于发光的红灯，这样就可以使得后面汽车上的司机得了及时观察到前面的自行车和人，可以及时调整行驶线路，避免不安全事故的发生，提高了交通的安全性。
结束语：
在当前人们的工作生活中，自行车是一种简便、环保的出行工具，有着较广的普及性，且自行车中也涉及了较多的物理知识，在我们高中物理学习中都可以找到分析的方法，且自行车的各方面构造等可以帮助我们更形象地去对物理知识进行学习，这种从生活中学习物理的方法，更能巩固我们对物理知识的理解及运用，所以，对自行车相关物理知识的分析，也在启发我们应多从现实生活中解释和学习物理现象，提高自己的学习能力。
参考文献
[1]王洪涛. 自行车中的物理知识[J]. 中学生数理化：八年级物理, 2010:69-70.
[2]万邦锋, 王真珠. 自行车中的物理学[J]. 物理教学探讨：中学教学教研专辑, 2011, 29(03):75-76
论文作者:郑毅
论文发表刊物:《知识-力量》2018年12月下
论文发表时间:2018/11/2
标签：自行车论文; 摩擦论文; 飞轮论文; 车把论文; 后轮论文; 部件论文; 物理论文; 《知识-力量》2018年12月下论文;