自行车没气蹬着更费劲是因为摩擦力变大？其实跟弹力有关

为什么自行车没气了蹬着就费劲呢？

很多人会说，自行车没气了，车轮跟地面的接触面积就增大了，接触面大进而增大了车轮与地面之间的摩擦力，所以蹬着费劲。

但如果你对中学物理的内容还有印象，就会记得这么一句话，摩擦力的大小与压力和接触面粗糙程度有关，与接触面积无关。是的，面积大了并不是自行车没气蹬着费劲的原因。

这也好理解，如果是面积大了自行车就难骑，一个没气的窄轮自行车，和一个有气的粗轮自行车，骑起来应该差不多。

那话说到这，自行车没气时蹬着费劲的原因到底是什么呢？这得从轮胎说起，确切地说，是从轮胎的弹性说起。

中学时候我们接触过弹簧的弹性，弹簧弹力与形变量成正比，这也就是说，在一个先压缩、后回弹的过程中，只要弹簧的形变量一样，无论是压缩还是回弹，弹簧的弹力都是一样大的。

轮胎的材质是橡胶，橡胶的弹力规律跟弹簧并不一样，压缩和回弹两个过程中弹力有些差异，橡胶压下去的弹力稍大，回来时的弹力稍小，两个过程的弹力是不同的，这里面的原因跟橡胶的分子结构有关，我们不展开讲了。

既然车轮的压缩时弹力大，回弹是弹力小，那车轮滚动时，前一半压缩，后一半回弹，前一半的弹力就会比后一半大一些，再加上轮胎的回弹没那么快，回弹的后边这段还会短点。

这两点加起来就会导致车轮受到地面支持力的合力并不是在车轴的正下方，而是稍稍靠前了一点。合力与车轴有距离，这就会形成一个力矩，如果你没听说过力矩的概念，那我们也可以做个比喻，力和车轴间的作用就会像个扳手一样，想把车轮反着拧，阻碍车轮的转动。

当车有气时，车轮跟地面接触的长度很短，所以支持力跟车轴之间的距离也很近，这时他们之间就只有一个短“扳手”，车轮并不会受到特别大的阻碍作用。

而当车胎内没有充足的气体时，车轮跟地面接触的长度就会变得更长，进而导致地面支持力合力的位置也更加靠前。此时虽然地面对轮胎的支持力还与之前没有改变，但由于合力与车轴之间的距离变大了，这就相当于是扳手把变长了，用过扳手的都知道，扳手把越长越劲越大，所以这时车轮受到的阻碍就会比之前大很多，那这时候的自行车自然就蹬着费劲了。

我们也可以从能量的角度来解释一下没气时为什么蹬着费劲，轮胎压缩和回弹的过程本身也会消耗一些能量，这有些类似摩擦生热。压缩的量越大，就像摩擦生热时摩擦的距离越大，会损耗更多的能量。轮胎有气时骑行过程中压缩幅度并不大，所以能量消耗较少。而没气之后，每一段轮胎又要由鼓变瘪，再由瘪变鼓，压缩幅度增大了很多，所以整个过程中的能量损耗大大增加了。那既然要拿那么多的能量去跟瘪轮胎较劲，为了保持速度，我们就需要更加用力的蹬，那这就是从能量的角度看，轮胎没气不好蹬的原因了。

读到这，不知道你有没有这样一种想法，既然轮胎压缩就会消耗能量，那要是能做一种几乎不压缩的轮子，这岂不是没有能量损耗，效率超级高吗？确实是这么回事，但如果轮胎太硬，遇到个沟沟坎坎就会颠簸，我们得给它再陪一个超级平整的路面，为了减少磨损，不如路面和轮子都用铁做...诶，硬轮子加铁路面，这不就是火车了嘛。

作者：问题小分队

审核：中国科学院物理所 研究员 罗会仟

出品：中国科协科普部

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