自行車上的物理第一頁，共二十四頁，2022年，8月28日開場白

大千世界，物理現象及其應用隨處可見：從天上的風箏飛鳥飛機乃至火箭航天飛機衛星銀河系到水上的帆船水中的游魚地下的石油勘探地殼運動。但今天我們不說水中月鏡中花(平面鏡成像),不說那美麗的彩虹霓虹燈，也不說那肥皂泡的五光十色;不談花香為何撲鼻,不談水中的鉛筆變彎，不說奇妙的海市蜃樓，不談死海不死，不說蝙蝠捕食，也不說為何北半球的水渦逆時針方向旋轉而南半球卻是順時針，不說那壯觀的錢塘江潮，不談電閃與雷鳴，不說黑洞,不說紅外線加熱紅外線遙感，不說全息照相------我們只說自行車第二頁，共二十四頁，2022年，8月28日

自行車在街上隨處可見，但是你天天看見天天騎，你對這種輕便無污染的交通工具了解多少？現在先讓我們重新認識一下自行車:左圖為自行車的基本結構1:前輪2:輻條3:花鼓4:前叉5:前剎6:鋼索7:剎車及變速把手8:車把9:豎桿10:車架11:前變速12:車座桿第三頁，共二十四頁，2022年，8月28日13:車座14:后剎15:貨架16:飛輪17:反光鏡18:后輪19:后變速20:腳撐21:氣門22:后輪23:鏈條24:輪盤25:腳踏26:曲柄

*幾個重要的概念：

傳動裝置：包括主動齒輪（輪盤）、被動齒輪（飛輪）、鏈條及變速器。齒輪比：主動齒輪（輪盤）與被動齒輪（飛輪）的齒數之比；傳動比：齒輪比乘以后輪的直徑；傳動行程：傳動比再乘以圓周率即為傳動行程，即每蹬踏一周單車前進的距離。第四頁，共二十四頁，2022年，8月28日自行車運動力學

自行車傳動自行車是傳動式機械，它的傳動裝置包括主動齒輪、被動齒輪、鏈條及變速器等。齒輪比與傳動比關系著自行車的使用效率。后輪運轉實質在于：在鏈條傳動下的飛輪帶動后輪轉動，飛輪與后輪具有相同的角速度，而后輪半徑遠大于齒輪半徑，由線速度增大，提高了車速。第五頁，共二十四頁，2022年，8月28日齒輪比

動輪對被動輪的齒數之比為齒輪比。以g代表齒輪比，c代表主動齒輪的齒數，f代表被動齒輪的齒數，它們之間的關系用公式表示，即：g=c/f如果兩個齒輪的齒數相同，那末踏蹬一周，兩個齒輪和后輪都各旋轉一周。假如主動齒輪的齒數大于被動齒輪的齒數，那么每踏蹬一周，被動齒輪轉的圈數就大于一周，速度加大。

第六頁，共二十四頁，2022年，8月28日大齒輪盤小齒輪盤后輪大小齒輪之間用鏈條相連，則大小齒輪盤沿線速度大小相同，，而小齒輪和后輪之間通過輪軸固定，他們的角速度第七頁，共二十四頁，2022年，8月28日則由，設后輪沿速度為=,則我們通過進一步研究可知人踩踏板速度V和后輪轉動速度之間關系，踏板和大齒輪盤同軸，則

則由

故

第八頁，共二十四頁，2022年，8月28日傳動比（傳動系數）及傳動行程

齒輪比乘以后圈直徑即為傳動比。以d代表傳動比，b代表后圈直徑，它們之間關系用公式表示，即：d=c/f×b=gb由此可見，齒輪比確定之后，傳動比是與后圈直徑成正比的。

每踏蹬一周，車子向前運動的距離則為傳動行程，也叫速比行程。以s代表傳動行程則

s=c/f×b×π

自行車變速的道理后輪的轉動是通過鏈條把中軸、后軸上的鏈輪飛齒輪相連帶動，兩輪每個齒與各鏈條間的孔對應，大齒輪轉過一個齒，齒輪也一定轉過一個齒，絕不可能打滑。變速自行車是通過調整齒輪比來達到變速目的:變速自行車中，中軸鏈輪上有幾個直徑不同、齒數不同的齒盤，后軸飛輪有幾個直徑、齒數不同的齒盤，選擇不同齒數的齒輪，通過鏈條相連帶動，后輪轉動的快慢就改變了。第九頁，共二十四頁，2022年，8月28日

車子向前進,必須借助于一定的力量。人每踏蹬一周的力量，叫前進力，也叫向前推力。前進力與用力、傳動比、曲柄（即中軸到腳蹬的連桿）長有關。以Y代表前進力，Q代表踏蹬力量，I代表曲柄長度，D代表傳動比，則有

Y＝Q×I/D常見的自行車輪的直徑有559mm（22英寸）、610mm（24英寸）、660mm（26英寸）、711mm（28英寸）的。騎28寸的比24寸的車費力一些，但速度快，因為28寸車輪的半徑大，輪子每轉一圈走的距離長一些，故速度快；半徑大使輪軸的軸半徑大，故費力自行車車架利用了三角形最穩定的性質，巧妙地分解了其所受到的力的作用。第十頁，共二十四頁，2022年，8月28日但是，也有一些自行車取消了傳統自行車的橫桿或是進行了其他改造，但實際上它們仍然運用了三角形的性質。第十一頁，共二十四頁，2022年，8月28日一個車輪上共有３６根輻絲，構成一個網狀結構，當給輪胎施加豎直向下的壓力時，車豎直方向上的上下各六根輻絲受到壓力，而水平方向上的輻絲也受力。做實驗可知，當用力壓輪胎時，輪胎幾乎沒有變形，而抽去輪胎水平方向兩側的輻絲，再用力壓輪胎，輪胎在豎直方向會被壓扁。因此自行車的輪胎選用了輻絲交叉的方法，使整個車輪穩固，可分散受力，避免因巨大外力導致車輪扭曲變形。人們在騎自行車上較陡的坡時，往往走“S”形路線，這是根據功的原理。坡長相當于斜面長，坡高相當于斜面高，根據功的原理：W1＝W2，即FL＝Gh，可看出，斜面長L是斜面高h的幾倍，所用的力F就是重力G的幾分之一，所以，在高度h不變的情況下，斜面越長越省力，走“S”形路線是為了增大斜面長，從而能使用較小的力順利上坡。第十二頁，共二十四頁，2022年，8月28日摩擦摩擦力的應用——自行車為什么能前進？壓力越大，摩擦力越大——自行車為什么能停止？自行車也和其它車輛一樣，是靠車輪與地面的摩擦力前進的。自行車由于自身有質量、有自重，車輪和地面都不光滑，壓在路面上就會產生靜摩擦力。當人騎上自行車，用力使自行車開始運動，后輪與地面產生靜摩擦力，其方向與自行車前進方向相同，所以推動自行車向前運動。自行車的剎車是利用摩擦力使自行車減速和停止前進。當我們使用剎車時，剎皮與車輪間的摩擦力，使車輪停止運動或速度減小，車輪與地面見的摩擦力由滾動摩擦變成滑動摩擦，強大的滑動摩擦力方向與自行車前進方向相反，使自行車迅速減速（或迅速停止運動）。

第十三頁，共二十四頁，2022年，8月28日增大粗糙程度，增大摩擦力——自行車外胎上為什么有凸凹不平的花紋？小竅門自行車的車胎、車把套、踏板等處都刻有凹凸不平的花紋以增大摩擦。如在剎車時，車輪不再滾動，而在地面上滑動，滾動摩擦變為滑動摩擦，故車可迅速停駛。而在剎車的同時，手用力握緊車閘把，增大剎車皮對鋼圈的壓力以達到制止車輪滾動的目的。

急剎車時，滑動摩擦力對車輛外胎磨損十分大，若使輪子總處于滾動，而不滑動時，則可避免對車輪磨損。因此可設想在自行車上另設置一剎車備用（可金屬、橡膠……），平時運動時，剎盤提起脫離地面，剎車時，將剎盤按下與地面接觸，使剎盤在地面滑動，產生滑動摩擦力，使車輛迅速減速直至停止，避免自行車外胎磨損。

第十四頁，共二十四頁，2022年，8月28日滾動摩擦力比滑動摩擦力小——自行車哪些地方安鋼珠？為什么安鋼珠？在自行車轉動的地方，前軸中軸、后軸、車把轉動處，腳蹬轉動處、飛輪等地方，都安有鋼珠。轉動地方安裝鋼珠是為了減小摩擦力，保護零件，節省動力，因為滾動摩擦比滑動摩擦小得多，用滾動來代替滑動可以大大減小摩擦，并經常加潤滑油，使接觸面彼此離開，摩擦變得更小、更省力。

“山地車”，它的輪子加寬，就能起到地面阻力減少的作用，它的車胎很寬，紋路很深，這樣可以減少地面的磨擦阻力而輕松前行。當自行車在深雪里或是在一條柔軟的泥路上行進時,會感到自行車的兩個輪子好像不是圓的,因為踏起來很吃力.這踏起來很吃力的原因就是由于車對泥地的壓強超過了泥地的彈性限度,泥地里(雪地里)被壓出一條深溝.車要前進,就必需用力使自行車的兩個車輪從溝里“抬”出來,車輪沉陷得越深,摩擦力也就越大,“抬”出地面所需要的力也就越大.要使自行車能前進就要求泥地里(雪地里)對自行車后輪有相當大的向前推力,這就要求對踏腳板施加較大的作用力,所以人會感到很吃力,這就像人走在雪地里一樣。第十五頁，共二十四頁，2022年，8月28日彈性現在流行的自行車中不少在車架上安彈簧，其作用在于緩沖外界壓力的作用。

彈簧的減震作用第十六頁，共二十四頁，2022年，8月28日自行車的腳撐上也利用了彈簧，彈簧發生彈性形變時會產生彈力使其恢復原狀，這就起到了固定的作用。

車的座墊下安有許多根彈簧，利用它的緩沖作用以減小震動。因而坐在車后的貨架上的人會比坐在車前坐墊上的人震動劇烈。自行車內胎充滿了氣體，當路面不平給車胎帶來沖擊的時候，充氣內胎的壓縮和恢復有很好的緩沖作用，減小了顛簸，既保護了自行車，也減小前進的阻力，也使人感到舒適。第十七頁，共二十四頁，2022年，8月28日壓強現代自行車使用充氣內胎主要是利用質量一定的氣體體積減小，壓強增大的原理。自行車的內胎充入了大量的空氣，它是支撐車身的主力。當充入車胎內氣體不充足時，胎內壓強小于外界壓強，由P=F/S，F一定，而壓強P減小，車胎與地面接觸面積S增大。從而使原來的滾動變為與地面滑動，摩擦力增加，影響到車的行駛速度。反之，當胎內氣體充足時，騎車時就可達到輕而快的效果。座墊呈馬鞍型，它能夠增大座墊與人體的接觸面積以減小臀部所受壓強，使人騎車不易感到疲勞。慣性自行車在停放時,前后輪分別是兩個支撐點---撐腳架起來保持平衡（當然，舊式腳撐是U形的，此時由前輪與腳撐的兩個腳支撐）。

第十八頁，共二十四頁，2022年，8月28日但是自行車在行駛時卻不會倒下,這是因為凡是高速轉動著的物體都有一種能竭力保持轉動軸方向不變的能力.而自行車的前后輪在行駛時,就是兩個迅速轉動著的物體,它也有保持轉動軸方向不變的能力.這就是為什么自行車在行駛時不會倒下的原因。小竅門快速行駛的自行車，如果突然把前輪剎住，后輪會跳起來。前輪受到阻力而突然停止運動，但人和后輪沒有受到阻力，由于慣性，人和后輪要保持繼續向前的運動狀態，所以車體會以前輪與地面的接觸點為支點做轉動。速度越大則轉動幅度越大。因此下坡或高速行駛時，要先剎后剎，再剎前剎；或前后剎一起剎，決不能單獨用自行車的前剎剎車，否則會出現翻車事故。自行車轉彎時，為克服離心力，人的身體通常會有意向轉彎方向傾斜，而且同時要減速，使摩擦力足夠提供向心力。減速時后剎不宜使用過猛，否則車子可能掉頭或滑倒。如果稍有留意，你會發現自行車走的不是直線而是曲線，是在左右偏移中前進，這與科學的進步十分相似。第十九頁，共二十四頁，2022年，8月28日杠桿控制前輪轉向的杠桿：自行車的車把，是省力杠桿，人們用很小的力就能轉動自行車前輪，來控制自行車的運動方向和自行車的平衡。控制剎車閘的杠桿：自行車制動系統中的車閘把與連桿是一個省力杠桿，可增大對剎車皮的拉力。人們用很小的力就能使車閘以比較大的壓力壓到車輪的鋼圈上。中軸上的腳蹬和大齒輪：組成省力輪軸，由腳蹬半徑大于大齒輪半徑。自行車車把與前叉軸：組成省力輪軸，手握把外的半徑大于前叉軸的半徑。后軸上的齒輪和后輪：組成費力輪軸，齒輪半徑小于后輪半徑。聲

自行車也有聲學——龍頭上的車鈴,這里有鈴聲的產生傳播它們有各自的音色音調等等。

此外自行車也會“空車轆轆”，不同的自行車的車速聲音也會不同。

第二十頁，共二十四頁，2022年，8月28日光自行車主要用到了光的反射自行車尾部的反光鏡，不論光線從哪一個方向射入，反光鏡都能沿原來的方向把它射回去。一般鏡當然也能反射光線，但光線必須遵守反射定律，所以不能以入射的方向反射回去（除非垂直射入的光線）。自行車的反光鏡有什么特別的構造呢？即使光線不以自行車的反光鏡之中心軸入射，也能沿原來的方向反射回去，這種鏡被稱為回射鏡。眼睛是看不見完全回射鏡的回射光線的，因為眼睛不可能正好位于光源上。但大多數的反光鏡都制成略有些偏差，使回射光束比入射光束寬。

第二十一頁，共二十四頁，2022年，8月28日一種簡單的回射鏡是由三塊互相垂直的平面鏡組成的三垂面反射鏡。它可以使從任意方向入射的光線，先后經過三塊平面鏡的反射后，沿著原來入射的方向反射回去。許多自行車后的紅色反光鏡，就是由許多個塑