自行车如何运动

刘忻雨

自行车是生活中常见又环保的代步工具，在污染越来越严重的现代社会，自行车变得越来越流行。

小时候，爸爸妈妈带我学骑自行车，我当时的第一想法就是自行车的前轮和后轮为什么可以同时运动？动力来源是什么？限于当时的知识水平和理解能力，我一直没能明白自行车运动的具体原理。随着年龄的增长，自己学了力学、运动学等相关物理知识，便慢慢尝试去解释自己小时候的疑问。

通过分析得知，骑自行车时，脚踩脚踏，给脚踏施加一个外力，通过曲柄传递到链轮，链轮转动，具有一个线速度V1和角速度ω1，通过链条把速度传递给飞轮，飞轮具有一个线速度V2和角速度ω2。由于飞轮和后轮由后轴固定在一起，所以后轮获得一个线速度V3和角速度ω3。后轮获得速度之后驱动前轮转动，前轮获得一个线速度V3和角速度ω3（由于前轮和后轮直径大小相等，因此前、后轮线速度和角速度大小相等）。

由于V=ωR（R是圆形轮子的直径），在链条的作用下，链轮和飞轮的速度相等，即V1=V2，所以 ω1R1=ω2R2，而且R2ω1，所以我们在骑自行车时只需用脚轻轻转动，就能让飞轮获得一个很大的角速度。有些自行车采用多级飞轮进行变速，基本原理就是多个飞轮片半径不同，导致R2、R1不同，进而达到变速的目的。自行车由于飞轮和后轮通过后轴固定在一起，所以后轮和飞轮具有相同的角速度，即ω2=ω3，所以V2/R2=V3/R3，因为R3>R2，所以V3>V2。

综上所得，只需轻轻转动链轮，就可以给自行车提供很大的速度。而且R2比R1小得越多，R2比R3小得越多，就会导致V3比V2大得越多，在链轮转速相同的情况下，自行车获得的速度就越大，所需要的外力也越来越大。

接下来分析自行车车轮的转动方向以及动力来源。由高中力学知识可知，摩擦力的方向和相对运动方向或相对运动趋势的方向相反，当链轮顺时针转动时，通过链条带动飞轮顺时针转动，飞轮通过后轴带动后轮顺时针转动。此时后轮相对地面向后运动，同时受到地面施加给它的一个向前的摩擦力F1，这个摩擦力是自行车运动的动力来源，这也就解释了为什么自行车能向前运动了。

如果地面太光滑，会导致摩擦力过小，此时自行车非常容易滑倒。我们平常在自行车轮胎上看到的凹凸不平的花纹，也是为了增大轮胎和地面的摩擦力而设计的。

在分析完后轮的受力方向之后，我们也能很容易对前轮的受力方向进行分析了。前轮在后轮的作用下顺时针转动，此时前轮相对地面向前运动，受到地面对其向后的摩擦力F2，此时前轮的转动方向和受力方向相同，在这个力的作用下，前轮便继续顺时针运动起来。（指导老师：徐业权）