自行車沒氣蹬著更費(fèi)勁是因?yàn)槟Σ亮ψ兇螅科鋵?shí)跟彈力有關(guān)

為什么自行車沒氣了蹬著就費(fèi)勁呢？

很多人會(huì)說，自行車沒氣了，車輪跟地面的接觸面積就增大了，接觸面大進(jìn)而增大了車輪與地面之間的摩擦力，所以蹬著費(fèi)勁。

但如果你對(duì)中學(xué)物理的內(nèi)容還有印象，就會(huì)記得這么一句話，摩擦力的大小與壓力和接觸面粗糙程度有關(guān)，與接觸面積無(wú)關(guān)。是的，面積大了并不是自行車沒氣蹬著費(fèi)勁的原因。

這也好理解，如果是面積大了自行車就難騎，一個(gè)沒氣的窄輪自行車，和一個(gè)有氣的粗輪自行車，騎起來(lái)應(yīng)該差不多。

那話說到這，自行車沒氣時(shí)蹬著費(fèi)勁的原因到底是什么呢？這得從輪胎說起，確切地說，是從輪胎的彈性說起。

中學(xué)時(shí)候我們接觸過彈簧的彈性，彈簧彈力與形變量成正比，這也就是說，在一個(gè)先壓縮、后回彈的過程中，只要彈簧的形變量一樣，無(wú)論是壓縮還是回彈，彈簧的彈力都是一樣大的。

輪胎的材質(zhì)是橡膠，橡膠的彈力規(guī)律跟彈簧并不一樣，壓縮和回彈兩個(gè)過程中彈力有些差異，橡膠壓下去的彈力稍大，回來(lái)時(shí)的彈力稍小，兩個(gè)過程的彈力是不同的，這里面的原因跟橡膠的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，我們不展開講了。

既然車輪的壓縮時(shí)彈力大，回彈是彈力小，那車輪滾動(dòng)時(shí)，前一半壓縮，后一半回彈，前一半的彈力就會(huì)比后一半大一些，再加上輪胎的回彈沒那么快，回彈的后邊這段還會(huì)短點(diǎn)。

這兩點(diǎn)加起來(lái)就會(huì)導(dǎo)致車輪受到地面支持力的合力并不是在車軸的正下方，而是稍稍靠前了一點(diǎn)。合力與車軸有距離，這就會(huì)形成一個(gè)力矩，如果你沒聽說過力矩的概念，那我們也可以做個(gè)比喻，力和車軸間的作用就會(huì)像個(gè)扳手一樣，想把車輪反著擰，阻礙車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)車有氣時(shí)，車輪跟地面接觸的長(zhǎng)度很短，所以支持力跟車軸之間的距離也很近，這時(shí)他們之間就只有一個(gè)短“扳手”，車輪并不會(huì)受到特別大的阻礙作用。

而當(dāng)車胎內(nèi)沒有充足的氣體時(shí)，車輪跟地面接觸的長(zhǎng)度就會(huì)變得更長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致地面支持力合力的位置也更加靠前。此時(shí)雖然地面對(duì)輪胎的支持力還與之前沒有改變，但由于合力與車軸之間的距離變大了，這就相當(dāng)于是扳手把變長(zhǎng)了，用過扳手的都知道，扳手把越長(zhǎng)越勁越大，所以這時(shí)車輪受到的阻礙就會(huì)比之前大很多，那這時(shí)候的自行車自然就蹬著費(fèi)勁了。

我們也可以從能量的角度來(lái)解釋一下沒氣時(shí)為什么蹬著費(fèi)勁，輪胎壓縮和回彈的過程本身也會(huì)消耗一些能量，這有些類似摩擦生熱。壓縮的量越大，就像摩擦生熱時(shí)摩擦的距離越大，會(huì)損耗更多的能量。輪胎有氣時(shí)騎行過程中壓縮幅度并不大，所以能量消耗較少。而沒氣之后，每一段輪胎又要由鼓變癟，再由癟變鼓，壓縮幅度增大了很多，所以整個(gè)過程中的能量損耗大大增加了。那既然要拿那么多的能量去跟癟輪胎較勁，為了保持速度，我們就需要更加用力的蹬，那這就是從能量的角度看，輪胎沒氣不好蹬的原因了。

讀到這，不知道你有沒有這樣一種想法，既然輪胎壓縮就會(huì)消耗能量，那要是能做一種幾乎不壓縮的輪子，這豈不是沒有能量損耗，效率超級(jí)高嗎？確實(shí)是這么回事，但如果輪胎太硬，遇到個(gè)溝溝坎坎就會(huì)顛簸，我們得給它再陪一個(gè)超級(jí)平整的路面，為了減少磨損，不如路面和輪子都用鐵做...誒，硬輪子加鐵路面，這不就是火車了嘛。

作者：?jiǎn)栴}小分隊(duì)

審核：中國(guó)科學(xué)院物理所 研究員 羅會(huì)仟

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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