自行车中的物理

1、1.自行车简介 自行车，又称脚踏车或单车，通常是二轮的小型陆上车辆。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。人骑上车后，以脚踩踏板为动力，是绿色环保的交通工具。 英文英文bicyclebicycle。其中。其中bibi意指二，而意指二，而cyclecycle意指轮，即两轮车。意指轮，即两轮车。 在中国内地、台湾、新加坡，通常称其为在中国内地、台湾、新加坡，通常称其为“自行车自行车”或或 “脚踏车脚踏车”；在港澳则通常称其为；在港澳则通常称其为“单车单车”（其实粤语通（其实粤语通 常都这么称呼）；而在日本称为常都这么称呼）；而在日

2、本称为“自転（转）车自転（转）车”。 1.1山地车的由来 山地车山地车, ,起源于美国起源于美国,1974,1974年年,Gary Fisher ,Gary Fisher 、Charlie KellyCharlie Kelly、Tom Tom RitcheyRitchey想要一辆可以在公路外骑行的自行车，远离想要一辆可以在公路外骑行的自行车，远离“警察、汽车和建警察、汽车和建 筑物筑物”，于是他们开始将配件和摩托车部件安装到二战前结实的单沙，于是他们开始将配件和摩托车部件安装到二战前结实的单沙 滩车上。滩车上。 同一年，同一年，Gary FisherGary Fisher和他的朋友们无惧死亡的

3、和他的朋友们无惧死亡的“塔马尔帕斯山之行塔马尔帕斯山之行” 为全新骑行风格的诞生铺平了道路。随着为全新骑行风格的诞生铺平了道路。随着 Gary Fisher Gary Fisher 在山地领域引在山地领域引 起的巨大反响，他的起的巨大反响，他的 Klunker Klunker 随后被随后被 Mountain Bike Action Mountain Bike Action 杂志评杂志评 选为选为“历史十大山地车历史十大山地车”之一。之一。 19761976年年Charlie KellyCharlie Kelly开始推动焕然一新的下坡赛，这是第一个伟大的开始推动焕然一新的下坡赛，这是第一个伟大的

4、 山地自行车活动。山地自行车活动。Charlie KellyCharlie Kelly委托制商委托制商 Joe Breeze Joe Breeze 设计并开发越设计并开发越 野自行车，这是有史以来制造的第一批野自行车，这是有史以来制造的第一批“山地自行车山地自行车”并命名为并命名为 “Breeze”“Breeze”。 Joe BreezeJoe Breeze以以BreezeBreeze为原型在为原型在19771977年至年至19781978年之间完成设计和制造了年之间完成设计和制造了9 9 个系列的车型，个系列的车型，BreezeBreeze的原型车现在在美国史密森学会的国家博物馆的原型车现在

5、在美国史密森学会的国家博物馆 收藏。收藏。 前叉 为越野而生为越野而生 避震避震 弹簧叉弹簧叉 阻力叉阻力叉 油簧叉油簧叉 油气叉油气叉 前叉 相同类型的前叉，除了使用的材相同类型的前叉，除了使用的材 料跟重量，最大的差别就在油控料跟重量，最大的差别就在油控 阻尼的不同。阻尼的不同。 举例来说，相同行程的气压的前举例来说，相同行程的气压的前 叉，若使用相同的油控阻尼，那叉，若使用相同的油控阻尼，那 除了材料不同而产生的重量差与除了材料不同而产生的重量差与 制程公差的控制之外，在骑乘感制程公差的控制之外，在骑乘感 觉方面并没有差异，因此油控阻觉方面并没有差异，因此油控阻 尼可以说是前叉最具价值的

6、一部尼可以说是前叉最具价值的一部 分。分。 在选购前叉时，它的油控阻在选购前叉时，它的油控阻 尼机制应该是你的第二考虑阻尼尼机制应该是你的第二考虑阻尼 都是利用油的黏滞特性，可参考都是利用油的黏滞特性，可参考 下图，当阻尼活塞在前叉作动时，下图，当阻尼活塞在前叉作动时， 上面只有一些孔隙可以让油通过，上面只有一些孔隙可以让油通过， 当油要挤进这个孔隙当油要挤进这个孔隙 弹簧前叉 1.1.弹簧前叉弹簧前叉: : 工作原理：胡克定律工作原理：胡克定律 单纯的弹簧前叉在专业山地车单纯的弹簧前叉在专业山地车 中已经不常见了。中已经不常见了。 弹簧前叉加入油阻尼，就变成弹簧前叉加入油阻尼，就变成 为油簧

7、前叉。这样做可以让前为油簧前叉。这样做可以让前 叉缓慢回升，利于骑行。叉缓慢回升，利于骑行。 kxFN 气压前叉 2.2.气压前叉气压前叉: : 波义尔定律来解释波义尔定律来解释 P1V1=P2V2P1V1=P2V2其中，设其中，设P1P1为前叉未受压缩时为前叉未受压缩时 气室内的压力，而气室内的压力，而V1V1即为此时的气室体积，即为此时的气室体积， 而而P2P2为前叉受压产生为前叉受压产生tt的压缩量时气室的压缩量时气室 内的压力，内的压力，V2V2为此时的气室体积。为此时的气室体积。 而气室内气压对活塞而气室内气压对活塞(piston)(piston)的正向的正向( (在上图中为向下在上

8、图中为向下) )作用力作用力F F，可表示，可表示 为为 F = PA,A F = PA,A为活塞的表面积为活塞的表面积. .而气室的体积而气室的体积 V V 又可写为又可写为,V = LA ,V = LA 将上两将上两 式带入可得式带入可得,F1 ,F1 * * L1 = F2 L1 = F2 * * L2 L2 压缩后的气室长压缩后的气室长L2L2即为原长即为原长L1L1减去压缩减去压缩 量量tt，而压缩前叉的力，而压缩前叉的力F F则为则为F2F2减去减去F1F1，等于，等于F =(F1F =(F1* *L1/(L1-t)-F1 L1/(L1-t)-F1 =F1=F1* *(t/(L1-

9、t),(t/(L1-t),从上面这个公式我们可以发现当分子从上面这个公式我们可以发现当分子tt，即弹簧压，即弹簧压 缩量，增加时，分母项也同时减少，因此当前叉越受压缩，它抵抗压缩的缩量，增加时，分母项也同时减少，因此当前叉越受压缩，它抵抗压缩的 力量会非线性的快速增加。力量会非线性的快速增加。 以前面的例子来说，假设使行程压缩以前面的例子来说，假设使行程压缩2 2公分需施力公分需施力2020公斤，当弹簧要有公斤，当弹簧要有4 4公公 分的行程压缩则可能要有分的行程压缩则可能要有6060公斤的力。公斤的力。 车架 车架：车架： 15/1615/16寸：适合身高：寸：适合身高：150cm-165c

10、m150cm-165cm； 17/1817/18寸：适合身高：寸：适合身高：165cm-175cm165cm-175cm； 19/2019/20寸：适合身高：寸：适合身高：175cm-185cm175cm-185cm； 21/2221/22寸：适合身高：寸：适合身高：185cm-195cm185cm-195cm： 15”/17”/19”/21”:15”/17”/19”/21”:为亚洲人设计车型为亚洲人设计车型 16”/18”/20”/22”:16”/18”/20”/22”:为欧洲人设计车型为欧洲人设计车型 车架 车架材质从最早的铬钼钢、进化到铝合金、然后车架材质从最早的铬钼钢、进化到铝合金、然

11、后 是复合材料的运用如碳纤维，其他还有钪合金、是复合材料的运用如碳纤维，其他还有钪合金、 镁合金、钛合金等，业者不断研发新材料配方，镁合金、钛合金等，业者不断研发新材料配方， 提升管件与结构设计能力并创新加工技术，只为提升管件与结构设计能力并创新加工技术，只为 了让车架更轻、更强、更舒适且更流线美观。了让车架更轻、更强、更舒适且更流线美观。 密度是决定车架重量的关键因素之一，密度愈低，密度是决定车架重量的关键因素之一，密度愈低， 车架可以做到愈轻，铬钼钢的密度为车架可以做到愈轻，铬钼钢的密度为7.97.9，铝合金，铝合金 为为2.6-2.92.6-2.9，钛，钛4.54.5，钛合金，钛合金4.

12、3-5.14.3-5.1，碳纤维复材，碳纤维复材 1.61.6，镁合金，镁合金1.71.7，由此可知铬钼钢的密度最高，由此可知铬钼钢的密度最高， 碳纤复材最低。碳纤复材最低。 然而车架除了重量外，还要考虑拉伸强度，弹性然而车架除了重量外，还要考虑拉伸强度，弹性 系数等，所以虽然密度低，但强度不够也不行。系数等，所以虽然密度低，但强度不够也不行。 铬钼钢自行铬钼钢自行 车车 优点优点 1.1.易加工易加工 2.2.寿命长寿命长 3.3.乘骑感舒乘骑感舒 适适 缺点缺点 1.1.太重太重 2.2.容易生锈容易生锈 铝合金山地车，优点：轻便，不易腐蚀铝合金山地车，优点：轻便，不易腐蚀 缺点：弹性率低

13、，需要高热处理，要用粗金属管缺点：弹性率低，需要高热处理，要用粗金属管 碳纤维公路车，优点：轻，不弯曲，吸收冲击力能力好碳纤维公路车，优点：轻，不弯曲，吸收冲击力能力好 缺点：会老化，成本高，断裂无法修复缺点：会老化，成本高，断裂无法修复 自行车坐垫 目前自行车的坐垫大概可分为两种：目前自行车的坐垫大概可分为两种： 1. 1. 窄型细长的硬座垫，这种窄型的硬坐垫常见于运动型窄型细长的硬座垫，这种窄型的硬坐垫常见于运动型 单车，是设计给高速巡航用的。踩踏速度快时宽的坐垫容单车，是设计给高速巡航用的。踩踏速度快时宽的坐垫容 易摩擦大腿内侧而疼痛，也影响踩踏动作所以设计细长而易摩擦大腿内侧而疼痛，也

14、影响踩踏动作所以设计细长而 窄。软的坐垫无法稳稳撑住身体影响踩踏效率，屁股就像窄。软的坐垫无法稳稳撑住身体影响踩踏效率，屁股就像 陷在沙发一样，软座垫与屁股接触面积大，踩得快屁股一陷在沙发一样，软座垫与屁股接触面积大，踩得快屁股一 直动反而因为过多的摩擦而疼痛，硬质坐垫比较适合快速直动反而因为过多的摩擦而疼痛，硬质坐垫比较适合快速 的踩踏动作。的踩踏动作。 2. 2. 宽大而软的舒适型座垫，这样的座垫较常见于入门车宽大而软的舒适型座垫，这样的座垫较常见于入门车 种或休闲取向的单车，是设计给慢速巡航用的。宽大的设种或休闲取向的单车，是设计给慢速巡航用的。宽大的设 计能让座垫跟屁股之间有较大而平均

15、的支撑面积，软质的计能让座垫跟屁股之间有较大而平均的支撑面积，软质的 座垫能提供较佳的舒适度，由于休闲取向的踩踏动作，不座垫能提供较佳的舒适度，由于休闲取向的踩踏动作，不 须考虑宽而软的坐垫不适合高速踩踏的因素。须考虑宽而软的坐垫不适合高速踩踏的因素。 普通自行车坐垫 大而柔软，大而柔软， 坐起来舒坐起来舒 适适 山地车坐垫 窄而长窄而长 感觉不舒感觉不舒 适适 公路车坐垫 更窄更长更窄更长 主要分为三类：V刹，碟刹，油压碟刹 V刹系统 平时最为常见的刹车系统，拉线带动卡钳内的刹车皮与车平时最为常见的刹车系统，拉线带动卡钳内的刹车皮与车 圈摩擦来刹车，优点简单易调，缺点效果一般易磨损圈摩擦来刹

16、车，优点简单易调，缺点效果一般易磨损 碟刹系统 碟刹：拉线带动卡钳内的刹车片与碟盘摩擦，但是拉线刹车力度有限碟刹：拉线带动卡钳内的刹车片与碟盘摩擦，但是拉线刹车力度有限 油压碟刹：活塞压缩油液，带动刹车片与碟盘摩擦，刹车力更强，但成油压碟刹：活塞压缩油液，带动刹车片与碟盘摩擦，刹车力更强，但成 本高，密封要求高本高，密封要求高 轮组 公路车轮组：轮胎细，法兰花鼓公路车轮组：轮胎细，法兰花鼓 额外宽额外宽 山地车轮组：胎面粗，花纹深，山地车轮组：胎面粗，花纹深， 摩擦力足，提供很大的弹力摩擦力足，提供很大的弹力 变速传动 传动系统 “齿比齿比 = = 前大盘齿数前大盘齿数 / / 后飞轮齿数后飞

17、轮齿数”，基本上自行车齿轮加链自行，基本上自行车齿轮加链自行 车变速系统条的传动系统的作用是车变速系统条的传动系统的作用是“将车手踩踏的能量将车手踩踏的能量 （马力）转（马力）转 换成轮胎的扭力换成轮胎的扭力”。 “速度速度”由最大齿比（前大盘最大齿片对应后飞轮最小齿片）决定，由最大齿比（前大盘最大齿片对应后飞轮最小齿片）决定， 在同样踩踏回转数时，齿比越大，速度越快。例如一般在同样踩踏回转数时，齿比越大，速度越快。例如一般2727速登山车最速登山车最 大齿比为大齿比为“前前44T44T，后，后11T11T，齿比，齿比 = 4”= 4”，车手踩一圈轮子会转，车手踩一圈轮子会转4 4圈，圈， 速

18、度最快但轮圈扭力最小，相对的车手踩踏的力道要最大，才能维持速度最快但轮圈扭力最小，相对的车手踩踏的力道要最大，才能维持 使车子前进所需的扭力。使车子前进所需的扭力。 “爬坡爬坡”时用最小齿比（前大盘最小齿片对应后飞轮最大齿片），爬时用最小齿比（前大盘最小齿片对应后飞轮最大齿片），爬 坡的时候，车手不但要维持车子前进，同时还要上升高度，这个时候坡的时候，车手不但要维持车子前进，同时还要上升高度，这个时候 需要增加扭力，在维持同样踩踏回转数的前提下，降低齿比有提高轮需要增加扭力，在维持同样踩踏回转数的前提下，降低齿比有提高轮 胎扭力，例如一般胎扭力，例如一般2727速登山车最小齿比为速登山车最小齿

19、比为“前前22T22T，后，后34T34T，齿比，齿比 = = 0.65”0.65”，车手踩一圈轮子才转，车手踩一圈轮子才转0.650.65圈，所以车手的体力都转成扭力来圈，所以车手的体力都转成扭力来 举升车子供爬坡了。举升车子供爬坡了。 要注意路面湿滑时，高扭力会导致轮胎打滑，就是扭力大于地面的摩要注意路面湿滑时，高扭力会导致轮胎打滑，就是扭力大于地面的摩 擦力时，无法前进，另外高扭力爬坡时还可能会翘孤轮。擦力时，无法前进，另外高扭力爬坡时还可能会翘孤轮。 传动系统 自行车的变速器，前自行车的变速器，前3 3齿盘、后齿盘、后9 9齿盘的组合可变速为齿盘的组合可变速为2727。在此以山地。在此

20、以山地 车自行车变速系统为例说明。车自行车变速系统为例说明。 旋动脚蹬时，前齿盘旋转，通过链条把力量转递到后齿盘，车轮就前旋动脚蹬时，前齿盘旋转，通过链条把力量转递到后齿盘，车轮就前 进。前齿盘的大小（齿数）和后齿盘的大小（齿数）决定旋动脚蹬时进。前齿盘的大小（齿数）和后齿盘的大小（齿数）决定旋动脚蹬时 的力度。的力度。 前齿盘越大，后齿盘越小，脚蹬时感到费力（自行车前进的距离变前齿盘越大，后齿盘越小，脚蹬时感到费力（自行车前进的距离变 长）。长）。 前齿盘越小，后齿盘越大，脚蹬时感到轻松（自行车前进的距离变前齿盘越小，后齿盘越大，脚蹬时感到轻松（自行车前进的距离变 短）。短）。 自行车的骑行

21、是起跑、停止、上坡、下坡、迎风、顺风等情况下前进。自行车的骑行是起跑、停止、上坡、下坡、迎风、顺风等情况下前进。 不管是任何条件下都能保持一定的速度不管是任何条件下都能保持一定的速度( (自行车快速前进，或者是慢自行车快速前进，或者是慢 速前进，都能保持一定的踩蹬步速和力矩，就要变速器。速前进，都能保持一定的踩蹬步速和力矩，就要变速器。 你假若不要加大自已的力度，只加大齿轮比来快速骑行，那是不可能你假若不要加大自已的力度，只加大齿轮比来快速骑行，那是不可能 的事。实际骑行过程中很快发现这一点的。加大齿轮比（高力矩、低的事。实际骑行过程中很快发现这一点的。加大齿轮比（高力矩、低 旋动）来骑行时，

22、达不到最适当的骑行（放出最适当的能量的力矩和旋动）来骑行时，达不到最适当的骑行（放出最适当的能量的力矩和 旋转的组合）。这将会增加膝盖的负担和成为引起各种障碍的原因。旋转的组合）。这将会增加膝盖的负担和成为引起各种障碍的原因。 全球十大山地车品牌 1.Specialized1.Specialized（闪电）：美国品牌，堪称自行车界（闪电）：美国品牌，堪称自行车界BMWBMW，它的公路、山地系，它的公路、山地系 列做得尤其精湛。环法比赛用车。列做得尤其精湛。环法比赛用车。 2.TIME:2.TIME:法国著名自行车生产商。它的公路的车架系统、自锁系统的设计是世法国著名自行车生产商。它的公路的车架

23、系统、自锁系统的设计是世 界一流水平。界一流水平。 3.Colnago3.Colnago（梅花）：意大利著名公路自行车厂家。（梅花）：意大利著名公路自行车厂家。C40C40是该厂的顶级型号，是该厂的顶级型号， 环意赛，世锦赛用车。环意赛，世锦赛用车。 4.BMC:4.BMC:瑞士自行车生产商。主要产品是山地车、公路车、计时赛用车。瑞士自行车生产商。主要产品是山地车、公路车、计时赛用车。BMCBMC与与 EastonEaston合作开发的纳米碳纤管材是闻名于自行车界的独特设计。合作开发的纳米碳纤管材是闻名于自行车界的独特设计。 5.5.TrekTrek（崔克）（崔克）：美国著名品牌，赞助的：美国

24、著名品牌，赞助的Discover ChannelDiscover Channel车队曾连续七次车队曾连续七次 赢得环法桂冠。赢得环法桂冠。 6.Schwinn6.Schwinn：美国知名品牌。旗下有以舒适著称的：美国知名品牌。旗下有以舒适著称的SierraSierra，质量上乘的，质量上乘的 FrontierFrontier等。等。 7.Huffy7.Huffy：美国山地车知名品牌之一，他们生产的山地车舒适简单又坚固耐用。：美国山地车知名品牌之一，他们生产的山地车舒适简单又坚固耐用。 8.Marin8.Marin：以山地车见长。：以山地车见长。 9.Mongoose9.Mongoose：美国的

25、超级极限自行车品牌，中国：美国的超级极限自行车品牌，中国BMXBMX自行车国家队的赞助商自行车国家队的赞助商 . . 10.Cannondale10.Cannondale：美国品牌，素以单臂著称，俗称：美国品牌，素以单臂著称，俗称“左撇子左撇子”。 前叉 为越野而生为越野而生 避震避震 弹簧叉弹簧叉 阻力叉阻力叉 油簧叉油簧叉 油气叉油气叉 铬钼钢自行铬钼钢自行 车车 优点优点 1.1.易加工易加工 2.2.寿命长寿命长 3.3.乘骑感舒乘骑感舒 适适 缺点缺点 1.1.太重太重 2.2.容易生锈容易生锈 碟刹系统 碟刹：拉线带动卡钳内的刹车片与碟盘摩擦，但是拉线刹车力度有限碟刹：拉线带动卡钳

26、内的刹车片与碟盘摩擦，但是拉线刹车力度有限 油压碟刹：活塞压缩油液，带动刹车片与碟盘摩擦，刹车力更强，但成油压碟刹：活塞压缩油液，带动刹车片与碟盘摩擦，刹车力更强，但成 本高，密封要求高本高，密封要求高 变速传动 传动系统 自行车的变速器，前自行车的变速器，前3 3齿盘、后齿盘、后9 9齿盘的组合可变速为齿盘的组合可变速为2727。在此以山地。在此以山地 车自行车变速系统为例说明。车自行车变速系统为例说明。 旋动脚蹬时，前齿盘旋转，通过链条把力量转递到后齿盘，车轮就前旋动脚蹬时，前齿盘旋转，通过链条把力量转递到后齿盘，车轮就前 进。前齿盘的大小（齿数）和后齿盘的大小（齿数）决定旋动脚蹬时进。前

27、齿盘的大小（齿数）和后齿盘的大小（齿数）决定旋动脚蹬时 的力度。的力度。 前齿盘越大，后齿盘越小，脚蹬时感到费力（自行车前进的距离变前齿盘越大，后齿盘越小，脚蹬时感到费力（自行车前进的距离变 长）。长）。 前齿盘越小，后齿盘越大，脚蹬时感到轻松（自行车前进的距离变前齿盘越小，后齿盘越大，脚蹬时感到轻松（自行车前进的距离变 短）。短）。 自行车的骑行是起跑、停止、上坡、下坡、迎风、顺风等情况下前进。自行车的骑行是起跑、停止、上坡、下坡、迎风、顺风等情况下前进。 不管是任何条件下都能保持一定的速度不管是任何条件下都能保持一定的速度( (自行车快速前进，或者是慢自行车快速前进，或者是慢 速前进，都能保持一定的踩蹬步速和力矩，就要变速器。速前进，都能保持一定的踩蹬步速和力矩，就要变速器。 你假若不要加大自已的力度，只加大齿轮比来快速骑行，那是不可能你假若不要加大自已的力度，只加大齿轮比来快速骑行，那是不可能 的事。实际骑行过程中很快发现这一点的。加大齿轮比（高力矩、低的事。实际骑行过程中很快发现这一点的。加大齿轮比（高力矩、低 旋动）来骑行时，达不到最适当的骑行（放出最适当的能量的力矩和旋动）来骑行时，达不到最适当的骑行（放出最适当的能量的力矩和 旋转的组合）。这将会增加膝盖的负担和成为引起各种障碍的原因。旋转的组合）。这将会增加