自行车是省力机械还是费力机械？ 第1页

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自行车是费力机械。

因为自行车是“脚踩一小圈，车行好几米”。根据能量守恒定律，W=F*s，动力臂运动距离s少了，力量F就要增加。因此是费力机械。

（补充：如果动力臂运动距离s大了，力量F就可以减少，就是省力机械。一些变速自行车调到“爬坡档”，脚踩好几圈才能前进一些，这就是省力机械。但这种档因为提供基础动力需要踩的圈数太多，踩踏时反而不容易控制行车平衡，因此实用性比较差，市场普及率很低）

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在脚踏和牙盘这一段，是属于省力机械。

滑轮组的原理其实就是杠杆原理。上图可见，牙盘的圆心就是杠杆的支点，动力臂长于阻力臂，因此是省力杠杆。

飞轮和轮毂这一段，是属于费力机械。

这个就更直观了。动力臂比阻力臂小这么多，妥妥就是一个费力杠杆！自行车能够“脚踩一小圈，车行好几米”，靠的就是这个设计。

所以从自行车机械原理上看，仍然是属于费力结构。因为动力臂＜阻力臂，是用大力量小路程，换小力量大路程。所以自行车作为载具最大的作用，还是增加人类的跑图速度！

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但为什么骑自行车多数还是会让人感觉省力呢？

本质上讲，省力的并不是车架的机械结构，而是在于“轮”！

所谓省力的对比对象，也是“步行”与“骑行”的对比。

而且最最最最关键的判断点并不是在于“省力”而是“省功”。省力只是咱们一种广义上的、口头上说法。

轮结构能够省力（功），是因为它用“滚动摩擦”代替了“滑动摩擦”。滑动轴承的轮子虽然微缩到轴承上仍然可见滑动摩擦，但轴承已经接近圆心，相比不带轮的结构，“摩擦距离”可以视为已经被微缩到极小，因此能省下不少功。而对于更加调皮的滚动式轴承来说，连滑动的部分也被省去，运转时摩擦力会更小，不仅省功，而且省力。

当摩擦力被几何倍数减小之后，运动惯性的效果就会被大幅度恢复。在平地上骑行，只要赋予一个平平无奇的初速度，自行车能够滑行数米甚至数十米，而这数十米的滑行路程完全是不需要额外提供动力的。就能量消耗的角度而言，滑行时候的动能损耗很低，能量的利用率很高，所以骑行相比步行能够很明显地感觉到“省功”。

就骑行而言，我们脚踩踏板供能，也只是补充轮轴摩擦的耗能、风阻耗能、轮子与地面滚动摩擦的耗能。非要多说也只能讲爬坡时候克服重力分力的耗能了。除了爬坡外，其他耗能可以说是非常细微，维持运动所需的力或能量都是很小的。

所以，轮结构是一切车辆省力省功的核心机械结构。

步行，全靠滑动摩擦提供动力，没有“滑行”这个操作，不能利用运动惯性，动能可以说是每一步都在浪费，因此功耗大、运动效率低。

如果有运动经验的人还会发现，给脚上加轮，行动会轻松很多，但玩轮滑也还是比骑行更累一些。

轮滑运动增加的能耗其实不在于滑行，而在于轮滑运动获取动力的方式！俩脚是等长的，想要用脚获取动力，必须一条腿半蹲，另一条腿才能腾出足够的长度进行“推动”。这个“蹲起”的过程是费力的，要克服重力做功，所以这个动作的消耗的能量有相当大一部分被用来“起”，只有少部分被用来制造前进动力，所以轮滑还是偏费力一点。

同理，跑步也比走路费功，因为跑步是一种快速的“走路”，为了让两腿可以更好的交错发力，跑步需要施展出远超过行动距离的步幅，多出来的这段步幅是用来给两腿的运动加速的，所以跑步时候总是要把步子抬到很高，甚至还需要带一点“跳跃”的动作。这些地方都会增加额外的能量消耗。

自行车能够把以上这些费力费功的地方全部省去，因此是一种能量利用率非常高的机械。

虽然机械结构上是费力机械，但相较于步行，轮结构让它仍然非常省功。

一般来说，自行车是费力机械，但是需要具体情况具体分析。

如图所示是自行车的结构示意图。自行车的原理是用力踩脚踏板，通过曲柄传动至牙盘，然后通过链条，将牙盘的转动传至飞轮，最后飞轮带动后轮，自行车就可以动起来了。要想知道自行车是省力机械还是费力机械，首先要知道省力机械和费力机械的区分方法。省力不省功，省力费距离，费力省距离，所以我们可以通过比较着力点和阻力点的移动距离来判断是否省力。这里忽略自行车的阻力。设脚踏板的移动弧长为x₁，曲柄长度为a₁，牙盘边缘上一个点移动弧长为x₂，半径为a₂（指挂链条的齿轮半径），飞轮和牙盘通过链条连接，因此飞轮边缘上一个点移动的弧长也是x₂，飞轮半径为b₁（指挂链条的齿轮半径），后轮边缘上一个点移动弧长是x₃，半径为b₂。则

故有：

如果 ，则脚踏板移动的距离大于后轮边缘移动的距离，所以省力，同理如果 ，则费力。

从物理学角度来说，自行车省功，从人的感受来说，节省了做功自然会省力。

之所以会省功，是因为与走路相比，骑自行车人的重心在竖向只是沿着路面高程变化，而不会像走路那样每走一步都会随着步伐一上一下波动。

况且，平路和下坡路，自行车可以滑行，人此时是不做功状态，可以休息。但如果是走路，无论平路还是上坡、下坡，都会不不停地做功，因为人身体不可避免要随着步伐上下起伏，做了很多无用功，因此走路会更累。