关于自行车气不足时骑行会更费力的问题探讨

【前言】关于自行车气不足时骑行会更费力的问题探讨由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。当人骑着自行车以某一速度匀速前行时，人车系统所受的空气阻力保持不变，前后轮都在匀速转动的同时它们的质心都在做匀速直线运动.在骑行过程中，无论是前轮气不足还是后轮气不足，都会使骑车的人感觉更费力，也就是说骑车的人必须要用更大的力蹬踏板才能保持自行车原...

骑过自行车的人也许都会有过这样的经历，当自行车轮胎气不足的时候骑行会感觉非常费力.这究竟是什么原因？要清楚气不足时骑行比较费力这个问题，首先要简单了解自行车的工作原理，然后再详细分析气不足时自行车的运动情况.

1自行车的工作原理

自行车由以下几部分组成：（1）车体部分：包括车架、前叉、车把、鞍座和前叉合件等，它是自行车的主体.（2）传动部分：包括脚蹬、曲柄、链轮、链条、中轴和飞轮等.（3）行动部分：即前后车轮，包括前后轴部件、辐条、轮辋（ 车圈） 、轮胎等.（4）安全装置：包括制动器（ 车闸） 、车灯、车铃、反射装置等.根据需要，还可增加一些附件，如支架、衣架、保险叉、挡泥板、气筒等.自行车的运动十分复杂，为方便讨论，假设自行车为刚体，并且自行车是在刚性地面上匀速骑行的.人用脚蹬踏板使链轮转动，再通过装在前后链轮上的链条带动后轮的飞轮转动，而使后轮也跟着转动.后轮相对于地面有向后运动的趋势，所以后轮受到的摩擦力方向向前，为自行车提供向前的动力，带动车身向前运动，由于车身的推动使得前轮也向前滚动，前轮相对地面的运动方向向前，因此前轮受到的摩擦力方向向后.后轮受到的摩擦力方向与运动方向相同，因此后轮是动力轮；而前轮受到的摩擦力的方向与运动方向相反，所以前轮是阻力轮.当后轮受到的摩擦力等于前轮受到的摩擦力与空气阻力之和时（忽略其它阻力），自行车就能保持匀速运动.

2自行车气不足时匀速骑行的分析

若地面与车轮均为刚体，则地面与车轮的接触为点面接触，对自行车的受力分析如图1所示，地面对车轮的支持力过车轮的质心.实际上，自行车和地面都是非刚性的，在接触中二者或多或少会发生形变，地面会下陷，车轮会变扁.本文只讨论自行车在较硬路面上匀速骑行的情况，即不考虑地面的形变.自行车轮胎气充足和气不足时，轮胎都会发生形变，区别在于气不足时轮胎的形变程度更加明显.自行车不能再视为刚体，使得自行车的受力情况发生了改变.前后车轮都会由于车轮和地面接触处产生形变，车轮受重力作用而陷入支承面，地面和车轮间的接触为面面接触，使得地面与车轮间的支持力不再过车轮的质心.当车轮向前滚动时，接触处前方的轮胎向内凹陷，而使地面作用于物体的合弹力N的作用点从最低点向前移.正是这个弹力，相对于车轮的质心产生了一个阻碍车轮滚动的力矩，这也就是平常说所的滚动摩擦.

当人骑着自行车以某一速度匀速前行时，人车系统所受的空气阻力保持不变，前后轮都在匀速转动的同时它们的质心都在做匀速直线运动.在骑行过程中，无论是前轮气不足还是后轮气不足，都会使骑车的人感觉更费力，也就是说骑车的人必须要用更大的力蹬踏板才能保持自行车原来的运动状态.下面分别对后轮气不足和前轮气不足时，车轮的受力情况进行分析.

2.1后车轮气不足的情况

我们知道，前后车轮各自承受着一部分人车整体的重力，并且后轮承受的重力较大.假设后车轮的质心在车轮圆心O点，承受的重力为G1，后车轮半径为r，链条对后车轮的作用力与自行车运动方向相同，大小为F.地面作用于轮胎的合弹力N1（其竖直分力和水平分力分别为N1y和N1x）的作用点距离G1作用线为d1.后车轮受到地面的摩擦力为f1，方向与自行车的运动方向相同，无论轮胎气是否充足，车轮的形变量相对于车轮半径而言很小，故摩擦力f与对质心O的力臂近似可看做车轮半径r.前轮半径也为r，承受的重力为G2，受到地面的摩擦力为f2，方向与自行车运动方向相反，地面对前轮的弹力为N2（其竖直分力和水平分力分别为N2y和N2x），其作用点距离G2作用线为d2.空气阻力为f3.

由（3）式可知前车轮受到地面的弹力的竖直方向的分力与前车轮所承受的重力的大小始终相等.前车轮受到地面的弹力的作用点不变，即d2不变，由（4）式可知f2与N2x之和不变.在速度不变的情况下，人车系统所受空气阻力也不变，则由（5）式可知，f1与N1x之差不变.与后车轮气充足相比，后车轮气不足时，后车轮的形变加大，d1增大，而N1y不变，所以由（2）式，可以得出F增大，即在后轮气不足的情况下，链条对后轮的力增大.链条对后轮的力又与脚蹬踏板的力成正比，故而在后轮气不足时骑行会更费力.

2.2前车轮气不足的情况

由（3）式可知前车轮受到地面的弹力的竖直方向的分力与前车轮所承受的重力的大小始终相等.与前车轮气充足相比，前车轮气不足时，前车轮形变加大，d2增大.由（4）式可知，f2与N2x之和增大.在速度不变的情况下，人车系统所受空气阻力不变，所以根据（5）式可知，f1与N1x之差增大.由（1）式可知，后轮受到地面的弹力的作用点不变，即d1不变.该弹力的竖直分力与后车轮承受的重力大小始终相等.则由（2）式可知，F增大，即在前车轮气不足的情况下，链条对后车轮的力增大.链条对后轮的力又与脚踩踏板的力成正比，故而在前轮气不足时骑行会更费力.

既然自行车轮胎的形变造成了骑车时人更费力，那么为什么不干脆使用刚性的轮胎呢？一方面，橡胶与地面的摩擦力也较大能够提供给自行车较大的动力；另一方面，由于地面不是绝对平整的，使用刚性轮胎会使得自行车中更加颠簸，而橡胶具有弹性，橡胶内的空气可以形成一个气垫，这样做可以减少自行车运行过程中所受到的冲力，达到缓冲减震的目的.即使人在非常不平坦的路面上行进， 也不会有特别颠簸的感觉.