為什么自行車沒氣了蹬著就費勁呢？

很多人會說，自行車沒氣了，車輪跟地面的接觸面積就增大了，接觸面大進而增大了車輪與地面之間的摩擦力，所以蹬著費勁。

但如果你對中學物理的內容還有印象，就會記得這么一句話，摩擦力的大小與壓力和接觸面粗糙程度有關，與接觸面積無關。是的，面積大了并不是自行車沒氣蹬著費勁的原因。

這也好理解，如果是面積大了自行車就難騎，一個沒氣的窄輪自行車，和一個有氣的粗輪自行車，騎起來應該差不多。

那話說到這，自行車沒氣時蹬著費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。

中學時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，在一個先壓縮、后回彈的過程中，只要彈簧的形變量一樣，無論是壓縮還是回彈，彈簧的彈力都是一樣大的。

輪胎的材質是橡膠，橡膠的彈力規律跟彈簧并不一樣，壓縮和回彈兩個過程中彈力有些差異，橡膠壓下去的彈力稍大，回來時的彈力稍小，兩個過程的彈力是不同的，這里面的原因跟橡膠的分子結構有關，我們不展開講了。

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

這兩點加起來就會導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。合力與車軸有距離，這就會形成一個力矩，如果你沒聽說過力矩的概念，那我們也可以做個比喻，力和車軸間的作用就會像個扳手一樣，想把車輪反著擰，阻礙車輪的轉動。

當車有氣時，車輪跟地面接觸的長度很短，所以支持力跟車軸之間的距離也很近，這時他們之間就只有一個短“扳手”，車輪并不會受到特別大的阻礙作用。

而當車胎內沒有充足的氣體時，車輪跟地面接觸的長度就會變得更長，進而導致地面支持力合力的位置也更加靠前。此時雖然地面對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，這就相當于是扳手把變長了，用過扳手的都知道，扳手把越長越勁越大，所以這時車輪受到的阻礙就會比之前大很多，那這時候的自行車自然就蹬著費勁了。

我們也可以從能量的角度來解釋一下沒氣時為什么蹬著費勁，輪胎壓縮和回彈的過程本身也會消耗一些能量，這有些類似摩擦生熱。壓縮的量越大，就像摩擦生熱時摩擦的距離越大，會損耗更多的能量。輪胎有氣時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，效率超級高嗎？確實是這么回事，但如果輪胎太硬，遇到個溝溝坎坎就會顛簸，我們得給它再陪一個超級平整的路面，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：問題小分隊

審核：中國科學院物理所 研究員 羅會仟

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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