浅析自行车行进过程中的摩擦力

唐浩然

摘 要：本文对自行车行进过程中的摩擦力进行了分析；首先对自行车行进过程中整体受到的摩擦力进行了分析，之后分别详尽解析了后车轮和前车轮在行进过程中摩擦力所起到的作用；结果表明前轮摩擦力主要为阻力，后轮摩擦力相当于牵引力，可以将骑行者的体能转化为动能。

关键词：摩擦力分析；转动力矩；自行车

中图分类号：O31 文献标识码：A

高中物理知识中，力学知识和运动学知识可以被广泛用于日常生活问题的分析中。实际生活中，物体在运动时不可避免的会在接触面上产生摩擦力，人们往往存在一种误解認为摩擦力总是作为阻力出现的，然而实际情况并非如此[1]。自行车作为一种常见的代步工具，具有绿色无污染、方便快捷、不受城市路况限制等特点，因此受到了人们的普遍欢迎，自行车行进过程中会受到地面的摩擦力，但自行车前、后车轮的摩擦力所起到的作用是不同的[2]。本文对自行车行进过程中的摩擦力进行了简要分析，在整体分析自行车摩擦力的基础上，分别对前后轮摩擦力所起的作用进行了阐述。

1 自行车行进时摩擦力的整体分析

自行车与地面的接触点位于前轮和后轮上，在启动和行进中必然与地面之间产生摩擦力。骑行者骑行时，通过脚蹬和车链条将力传导至后轮，后轮在F1和F2的共同作用下，相对于地面有了顺时针转动的趋势。以地面为参照物，后轮与地面接触点A存在向后运动的趋势，那么后轮胎就会受到地面给它的向前的摩擦力fA。可以看出后轮是自行车的主动轮。与后轮相对，前轮作为自行车的从动轮，在主动轮产生的牵引力F作用下向前运动。前轮与地面的接触点B相对于地面向前运动，因此后轮上产生的摩擦力fB方向向后。

可以看出自行车在行进过程中主要在前轮和后轮上与地面产生摩擦力，然而这两个摩擦力的作用不同。对于后轮来说，如果地面光滑，后轮就会产生打滑现象，也就是说后轮在骑行者施加力时原地顺时针旋转。而现实情况是地面存在一定的摩擦系数，fA会在后轮轴上产生一个旋转力矩，方向为逆时针旋转，这个旋转力矩的作用是骑行者施加于后轮轮轴的旋转力矩，这个力矩的方向是顺时针的，也就是说fA产生的力矩和骑行者施加的力矩共同作用，使得自行车运动，fA是自行车行进的牵引力。而fB则起到了阻力的作用。

2 自行车后轮所受摩擦力的具体分析

首先对fA进行详尽的分析，自行车轮在行进时相当于刚体，只要车的行进方向固定，那么后轮的旋转是在同一个平面内做平行的运动。对于这种运动，可以看作两个运动的合成，即围绕车轮轴的旋转运动和整个车轮向前的平动。如图2所示，后轮与地面的接触点A由于顺时针的旋转运动产生一个相对于地面向后的线速度V2，同时，由于后轮随着自行车向前运动，A点还存在向前的平动速度V1，因此后轮轮胎上A点的速度如式1所示：

V=V1-V2（1）

对后轮的功率进行计算，瞬时功率的计算公式如式2所示：

P=F×V（2）

式2中F为作用力，V为瞬时速度。根据功率的计算公式得到式3：

P=fAV1-fAV2（3）

如果后轮与地面不存在打滑的现象，那么V1=V2，此时P=0，fA相当于牵引力，而fAV1相当于牵引力在自行车行驶过程中加速车身的功率，而fAV2则是牵引力阻碍车轮顺时针旋转时产生的功率，也可以说这个功率是对骑行者体能进行消耗的功率。通过对摩擦力fA功率的分析可以看出fA一方面的作用是获得骑行者施加于自行车的能量，另外一方面将这部分能力传递给车体，使自行车的动能不断增加，fA在自行车行驶过程中实际起到了能量传递的作用。

3 自行车前轮所受摩擦力的具体分析

在对自行车行进过程中后轮所受摩擦力进行分析后，对前轮的摩擦力进行详尽分析。骑行者施加的力主要作用于后轮，因此前轮是不存在外加力产生的转动力矩的。前轮受到的摩擦力主要为B点产生的摩擦力fB，如果假设地面光滑，fB不存在，那么自行车行驶过程中前轮会随着车身的移动做向前的平动，也就是说自行车行进时前轮之所以会转动，就是因为fB的作用。可以说fB是自行车前进的阻力，但阻力有时候也有益处，例如当自行车在跨越障碍物时，如图3所示，fB以及前轮和障碍物之间产生的摩擦力fB对于自行车跨过障碍物起到了助力作用。

4 结论

综上所述，自行车在行驶过程中受到地面对自行车产生的摩擦力，摩擦力作用于后轮和前轮轮胎与地面的接触点（A点和B点），后轮轮胎上的摩擦力相当于牵引力，作用是将骑行者施加于自行车的能力转化为自行车的动能；前轮受到的摩擦力是阻力，但在自行车跨越障碍时起到了助力作用。

参考文献：

[1]傅望峰，周水明.自行车行驶过程中摩擦力的分析[J].物理教学探讨， 2007，25（2）：32-32.

[2]刘传庠.自行车运动的有关力学问题[J].高等继续教育学报，1994，3：27-29.