騎行中的能量轉換是一個將人體肌肉的化學能通過復雜的機械結構逐步轉化為自行車前進動能的精妙過程。核心在于踩踏力通過杠桿和齒輪系統放大并傳遞，最終驅動車輪克服阻力前進。以下是詳細的分解：
能量輸入：肌肉化學能 → 機械能 (踩踏力)
- 騎行者通過肌肉收縮（消耗儲存的化學能）向下踩踏踏板。
- 這個動作將化學能轉化為施加在踏板上的力和位移，即機械功。
第一次轉換與放大：杠桿作用 (曲柄)
- 踏板固定在曲柄上，曲柄的另一端固定在中軸（主軸）上。
- 曲柄本質上是一個杠桿。腳踏點距離中軸中心的距離就是杠桿臂長。
- 踩踏力施加在杠桿臂（曲柄）的末端，圍繞支點（中軸）產生旋轉力矩（扭矩）。
- 關鍵點： 杠桿作用放大了施加在中軸上的扭矩。即使踩踏力不變，更長的曲柄也能產生更大的扭矩（但需要更大的位移/踩踏圈）。
旋轉傳遞：牙盤
- 中軸穿過自行車的五通。
- 一個或多個牙盤（鏈輪）固定在中軸上，隨中軸一起旋轉。牙盤的齒數決定了它轉一圈需要鏈條移動的長度。
力的傳遞與方向改變：鏈條
- 鏈條纏繞在牙盤上，并被拉緊。
- 當牙盤旋轉時，它通過鏈條的鏈節與齒的嚙合拉動鏈條。
- 鏈條將旋轉運動和扭矩從前端（牙盤）傳遞到后端（飛輪）。
- 關鍵點： 鏈條有效地將驅動方向從水平面（踩踏）改變為驅動后輪所需的平面，并允許一定距離的傳遞。
第二次轉換與（可選）放大/縮小：飛輪與齒輪比
- 鏈條纏繞在后輪的飛輪（或卡式飛輪）上。
- 飛輪也通過齒與鏈條嚙合，將鏈條的拉力轉化為飛輪（以及與之相連的后輪）的旋轉扭矩。
- 齒輪比： 這是整個傳動系統的核心放大/縮小機制。
- 齒比 = 牙盤齒數 / 飛輪齒數
- 放大扭矩（低速檔/爬坡檔）： 當使用大牙盤配大飛輪（齒比小）時，牙盤轉一圈，飛輪轉多圈（但每圈扭矩小）。這犧牲了速度來放大扭矩，適合克服大阻力（如爬坡或起步）。
- 放大速度（高速檔）： 當使用大牙盤配小飛輪（齒比大）時，牙盤轉一圈，飛輪轉少圈（但每圈扭矩大）。這犧牲了扭矩來獲得更高的速度，適合平路或下坡。
- 飛輪棘輪機構： 飛輪內部有一個單向離合器（棘輪）。當騎行者停止踩踏或向后踩踏時，飛輪可以自由旋轉（后輪空轉），而不會帶動鏈條、牙盤和腳踏反向轉動。這實現了滑行。
驅動車輪：花鼓與輻條
- 飛輪固定在后花鼓上。
- 花鼓是后輪的中心旋轉部件。
- 飛輪帶動花鼓旋轉。
- 花鼓通過輻條將旋轉力傳遞到輪圈，使整個后輪旋轉。
能量輸出：輪地接觸與前進動能
- 旋轉的后輪通過輪胎與地面接觸。
- 輪胎與地面之間的靜摩擦力（抓地力）阻止輪胎在原地打滑。
- 輪胎對地面施加一個向后的力（通過摩擦力）。
- 根據牛頓第三定律（作用力與反作用力），地面同時對輪胎施加一個大小相等、方向向前的反作用力。
- 這個向前的力就是驅動自行車前進的推力。
- 自行車（連同騎行者）克服空氣阻力、滾動阻力、坡度阻力等，獲得前進的動能和（上坡時的）勢能。
總結能量轉換鏈條：
肌肉化學能 → 踩踏力（機械功）→ 曲柄杠桿（扭矩放大）→ 牙盤旋轉 → 鏈條拉力 → 飛輪旋轉（齒輪比調節扭矩/速度）→ 花鼓旋轉 → 輪圈旋轉 → 輪胎與地面摩擦（產生向前的反作用力）→ 自行車前進動能 + 克服阻力 + 熱能（損耗）
關鍵機械原理：
- 杠桿原理： 曲柄將踩踏力轉化為更大的中軸扭矩。
- 齒輪傳動（鏈傳動）： 通過牙盤和飛輪的不同齒數組合（齒輪比）來調節輸出的扭矩和轉速。
- 摩擦力： 鏈條與鏈輪齒的嚙合依靠摩擦力傳遞動力；輪胎與地面的靜摩擦力是實現前進推力的必要條件。
- 棘輪機構： 飛輪內的單向離合器允許滑行。
能量損耗：
并非所有輸入的能量都轉化為前進的動能。主要損耗包括：
- 傳動系統摩擦： 鏈條與鏈輪、導輪的摩擦；中軸、前后花鼓軸承的摩擦（部分轉化為熱能）。
- 輪胎滾動阻力： 輪胎變形、與地面的摩擦（轉化為熱能）。
- 空氣阻力： 隨著速度增加急劇增大（轉化為空氣的動能和熱能）。
- 內部摩擦： 踩踏動作本身（關節、肌肉）的損耗。
因此，一個高效、潤滑良好、調整得當的自行車傳動系統，配合低滾阻輪胎和符合空氣動力學的騎行姿勢，能最大限度地減少損耗，讓更多的踩踏能量轉化為前進的動力。
