浅谈自行车上的杠杆原理

张鑫蕾

摘要：阿基米德有这样一句流传很久的名言：“给我一个支点，我就能撬起整个地球！”，这句话便是说杠杆原理。省力是机械制造中的重要指标之一，杠杆原理在其中的运用达到了极致。在我们的生活中，杠杆与轮轴原理无处不在，跷跷板，指甲钳、剪刀等等。它们有着省力，费力和平衡之分。通过观察分析自行车，简要论述自行车的杠杆原理。

关键词：自行车;杠杆;省力;费力

自行车，又称脚踏车或单车，通常是二轮的小型陆上车辆。人骑上车后，以脚踩踏板为动力，是绿色环保的交通工具。自行车种类很多，有单人自行车，双人自行车还有多人自行车。自行车的车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等25个部件中，其基本部件缺一不可。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。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。乘骑者可以通過操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。

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。人的脚的蹬力是靠脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动的，从而使自行车不断前进。

3.制动系统：它由车闸部件组成、乘骑者可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、停驶，确保行车安全。

而自行车车运用的杠杆原理，以下作具体说明。

一、杠杆原理

杠杆是一种简单机械。在力的作用下能绕着固定点转动的硬棒就是杠杆。在生活中根据需要，杠杆可以是任意形状。跷跷板、剪刀、扳子、撬棒、钓鱼竿等，都是杠杆。滑轮是一种变形的杠杆，定滑轮的实质是等臂杠杆，动滑轮的实质是阻力臂是动力臂一半的省力杠杆。

杠杆五要素

支点：杠杆绕着转动的点，通常用字母O来表示。

动力：使杠杆转动的力，通常用F1来表示。

阻力：阻碍杠杆转动的力，通常用F2来表示。

动力臂：从支点到动力作用线的距离，通常用L1表示。

阻力臂：从支点到阻力作用线的距离，通常用L2表示。

（注：动力作用线、阻力作用线、动力臂、阻力臂皆用虚线表示。力臂的下角标随着力的下角标而改变。例：动力为F3，则动力臂为L3;阻力为F5，阻力臂为L5.）

二、自行车车把、刹车握柄、踏脚的杠杆原理

自行车的车把，是控制前轮转向的等臂杠杆，支点就是连着把手中间那根轴，力臂是手握的着力点和支点之间的垂直距离，人们用很小的力就能转动自行车前轮，来控制自行车的运动方向和自行车的平衡。

仔细观察自行车中的控制刹车闸的握柄的形状，一端是手抓的长柄另一端连着钢丝，拉动钢丝所需要的阻力就是刹车的阻力，整个把手像一个跷跷板一样固定在车把上，而钢丝一端显然比把手那边短，阻力臂小于用力臂，这就形成了省力杠杆，人们用很小的力就能使车闸以较大的压力压到车轮的钢圈上。

三、自行车脚踏与轮盘、后轮与小齿轮的杠杆原理

自行车的前轴，即自行车手把与前叉轴，组成省力轮轴，因为手把转动的半径大于前叉轴的半径。自行车的中轴，即自行车的踏脚与大齿轮，也用到了杠杆原理，脚蹬半径大于大齿轮半径。以飞轮的轮轴为支点，用较长的铁杆来转动链条上的飞轮。当动力作用于轮上是，大齿轮转动，轮与轴之间连续旋转，它们之间构成了省力轮轴，便于人们轻便骑车。踏脚飞轮上用到了齿轮，以防止链条打滑。

自行车的后轴，即自行车后轮与小齿轮，也用到了轮轴原理。因为齿轮半径小于后轮半径，当动力作用于轴上时，形成了费力轮轴。

脚蹬是轮轴，但同时轮轴也用了杠杆的原理，脚踏板是动力，链条是阻力，支点是中间圆盘的轴。自行车由许多的简单机械构成：执行部分的车把，控制部分中的车闸把，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、链条，后轮外圈的车胎是阻力，自行车链条是动力，车轮轴是支点。

四、结语

自行车的骨干就是车架，车架支撑了自行车所有的重量。自行车车架要和别的零件组合起来会有交点，而有些交点就成为了杠杆的支点。所以一辆自行车上会有很多个运用到杠杆原理与轮轴原理的地方，所以我们可以很轻松的把自行车骑起来。

参考文献：

[1]陈向明.自行车造型设计中的人性化体现[D].长春：吉林大学，2011（04）.

[2]李倩.自行车设计中人性化的分析研究[J].当代教育实践与教学研究，2016，25.