自行車上的力學

自行車上的力學——PB05000612

趙可心自行車是人們普遍使用的“綠色”交通工具，在它的“身上”運用了許多力學知識，通過研究自行車上的力學知識，了解自行車的結(jié)構(gòu)，以及每一個零件的作用，使人們更好的認識、利用自行車，讓自行車更好的為人類服務。

一、自行車的構(gòu)造導向系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)制動系統(tǒng)

由車把、前叉、前軸、前輪等部件組成。乘騎者可以通過操縱車把來改變行駛方向并保持車身平衡

由腳蹬、中軸、鏈輪、曲柄、鏈條、飛輪、后軸、后輪等部件組成。人的腳的蹬力是靠腳蹬通過曲柄，鏈輪、鏈條、飛輪、后軸等部件傳動的，從而使自行車不斷前進。

它由車閘部件組成、乘騎者可以隨時操縱車閘，使行駛的自行車減速、停使、確保行車安全。此外，為了安全和美觀，以及從實用出發(fā)，還裝配了車燈，支架等部件。二、具體的自行車部件車架部件外胎腳蹬、腳踏前叉部件鏈條、鏈輪飛輪車閘鞍座車架部件是構(gòu)成自行車的基本結(jié)構(gòu)體，也是自行車的骨架和主體，其他部件也都是直接或間接安裝在車架上的。車架部件的結(jié)構(gòu)形式有很多，但總體可以分為兩大類：即男式車架和女式車架。車架一般采用普通碳素銅管經(jīng)過焊接、組合而成。為了減輕管重量，提高強度，較高檔的自行車采用低合金鋼管制造。為了減少快速行駛的阻力，有的自行車還采用流線型的鋼管。由于自行車是依靠人體自身的驅(qū)動力和騎車技能而行駛的，車架便成為承受自行車在行駛中所產(chǎn)生的沖擊載荷以及能否舒適、安全地運載人體的重要結(jié)構(gòu)體，車架部件制造精度的優(yōu)劣，將直接影響乘騎的安全、平穩(wěn)、和輕快。一般輻條是等徑的，為了減輕重力，也有制成兩端大、中間小的變徑輻條，還有為了減少空氣阻力將輻條制成扁流線型。分軟邊胎和硬邊胎兩種。軟邊胎斷面較寬，能全部裹住內(nèi)胎，著地面積比較大，能適宜多種道路行駛。硬邊胎自重輕，著地面積小適宜在平坦的道路上行駛，具有阻力小，行駛輕快等優(yōu)點。外胎上的花紋是為了增加與地面的摩擦力。山地自行車的外胎寬度特別寬，花紋較深也是適應越野山地用。腳蹬部件：腳蹬部件裝配在中軸部件的左右曲柄上，是一個將平動力轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動力的裝置，自行車騎行時，腳踏力首先傳遞給腳蹬部件，，然后由腳蹬軸轉(zhuǎn)動曲柄，中軸，鏈條飛輪，使后輪轉(zhuǎn)動，從而使自行車前進。因此腳蹬部件的結(jié)構(gòu)和規(guī)格是否合適，將直接影響騎車人的放腳位置是否合適，自行D：加速阻力：只是在加速時產(chǎn)生的。腳踏：可分為整體式腳踏和組合式腳踏。無論什么款式的腳踏都必須有腳踏面，必須安全可靠，具有一定的防滑性能，可以選用橡膠、塑料或金屬材料制造。腳踏必須轉(zhuǎn)動靈活。前叉部件在自行車結(jié)構(gòu)中處于前方部位，它的上端與車把部件相連，車架部件與前管配合，下端與前軸部件配合，組成自行車的導向系統(tǒng)。轉(zhuǎn)動車把和前叉，可以使前輪改變方向，起到了自行車的導向作用。此外，還可以起到控制自行車行駛的作用。前叉部件的受力情況屬懸臂梁性質(zhì)，故前叉部件必須具有足夠的強度等性質(zhì)。鏈條：鏈條又稱車鏈、滾子鏈，安裝在連輪和飛輪上。其作用是將腳踏力由曲柄、鏈輪傳遞到飛輪和后輪上，帶動自行車前進。鏈輪：用高強度鋼材制成，保證其達到需要的拉力。飛輪以內(nèi)螺紋旋擰固定在后軸的右端，與鏈輪保持同一平面，并通過鏈條與鏈輪相連接，構(gòu)成自行車的驅(qū)動系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)上可分為單級飛輪和多級飛輪兩大類。單級飛輪又稱為單鏈輪片飛輪，主要由外套、平擋和芯子、千斤、千斤簧、墊圈、絲擋幾鋼球等零件組成。工作原理：當向前踏動腳踏是，鏈條帶動飛輪向前轉(zhuǎn)動，這時飛輪內(nèi)齒和千斤相含，飛輪的轉(zhuǎn)動力通過千斤傳到芯子，芯子帶動后軸和后輪轉(zhuǎn)動，自行車就前進了。當停止踏動腳踏板時，鏈條和外套都不旋轉(zhuǎn)，但后輪在慣性作用下仍然帶動芯子和千斤向前轉(zhuǎn)動，這時飛輪內(nèi)齒產(chǎn)生相對滑動，由此將芯子壓縮到芯子的槽口內(nèi)，千斤又壓縮了千斤簧。當千斤齒頂滑到飛輪內(nèi)齒頂端時，千斤簧被壓縮得最多，再稍微向前滑一點，千斤被千斤簧彈到齒根上，發(fā)出“嗒嗒”的聲響。芯子轉(zhuǎn)動加快，千斤也很快在各個飛輪內(nèi)齒上滑動，發(fā)出“嗒嗒”的聲音。當反向踏動腳踏時，外套反向轉(zhuǎn)動，會加速千斤的滑動，使“嗒嗒”聲響得更急促。多級飛輪是自行車變速裝置中的一個重要部件。多級飛輪是在單級飛輪的基礎(chǔ)上，增加幾片飛輪片，與中軸上的鏈輪結(jié)合，組成各種不同的傳遞比，從而改變了自行車的速度。車閘：是保證騎乘者安全的結(jié)構(gòu)，按制動點的位置來分，可以分為輪緣閘和軸閘兩大類，最常見的是輪緣閘。輪緣閘是一種通過機械杠桿、推桿、拉桿或鋼絲繩等直接將高摩擦因素的閘皮壓向車圈邊緣后輪胎，將轉(zhuǎn)動中的車輪剎停的裝置。輪緣閘結(jié)構(gòu)簡單，維修保養(yǎng)方便，因此被廣泛使用。但是，如果接觸車圈輪緣不正，或雨水淋濕的影響，會降低摩擦，從而影響制動的效果。常見的有：普通閘：優(yōu)點為接觸面合理，制動力矩大，制動靈敏，剎車性能可靠，結(jié)構(gòu)簡單和安裝修理方便。鉗形閘：當剎車時，其左右閘叉和閘皮就像鉗子一樣，緊緊地鉗住車圈的兩個端邊，達到使車減速或停的目的。優(yōu)點是剎車時力臂大，制動效果好，傳動零件少，調(diào)節(jié)和維修方便，重力輕，外形美觀。懸臂閘：優(yōu)點為懸臂閘剎車時的力矩比鉗形閘更大，制動性能好，結(jié)構(gòu)簡單，重力輕，調(diào)節(jié)和維修方便。前觸閘：前觸閘是靠杠桿原理制動的。當手握緊閘把時，閘把的另一頭將接頭、拉桿、拉管向下壓，使閘皮向下壓至與輪胎接觸，產(chǎn)生摩擦制動力。其缺點是剎車效果與輪胎充氣程度有關(guān)。充氣不足時，會使摩擦力減小，影響剎車效果。腳閘：優(yōu)點為由于剎車是用腳力的，所以在腳閘上產(chǎn)生的正壓力越大，剎車效果越好。閘的優(yōu)點：剎車的制動點不在輪緣上，不會損壞車圈的電鍍層。

鞍座的長度、寬度的鞍梁的結(jié)構(gòu)是以車型和乘騎者的性別、習慣來確定。鞍座的結(jié)構(gòu)設(shè)計應充分考慮乘騎者舒適。它依靠鞍管與車架作鋼性連接，用來承受人體的重量。具體來說：鞍座面：是人體體重的支撐面，具有良好的強度和彈性，它由鞍座面皮和墊皮組成。鞍座架：又稱鞍梁，是鞍座的主體，其結(jié)構(gòu)比較復雜，一般由前后撐板，左右鞍撐，上下梁組成，并連接和支撐鞍面。鞍座簧：實質(zhì)上是鞍座架的一部分。它支撐著鞍座架和鞍座面，起著緩沖和減震的作用。鞍座簧的形式有立簧、臥簧和拉簧等幾種。鞍座夾：又稱鞍座卡，是由夾緊螺釘，座夾和夾板等組成，用來將鞍座固定在鞍簧上。近幾年來，人們又研究出了一些提高自行車穩(wěn)定性的部件，例如：避震前叉：車胎充足氣后，車輪與道路的接觸面積小，摩擦阻力相應減小，使得行駛較輕松。但是，一旦遇上高低不平的道路，就會顛簸不穩(wěn)，特別是前叉震動更加厲害。采用避震前叉可以起到以下一些作用：將車架和前輪彈性的連接在一起，可吸收并緩解因路面不平而傳遞給車架的沖擊和震動，保持乘騎舒適和平穩(wěn)。由于減震裝置具有緩沖作用，可以避免某些零件因過分震動而損壞。減震裝置能傳遞垂直力，驅(qū)動力，側(cè)向力以及相應產(chǎn)生的力矩，確保騎行舒暢。三、自行車上的力學知識自行車的變速原理影響自行車速度快慢的因素自行車的變速原理：從機械原理角度來看，主動輪和從動輪相互間的大小決定其傳動比的大小。對一輛自行車來說，其騎行速度的快慢主要取決于裝置中鏈輪直徑大?。X數(shù)）和飛輪直徑大小（齒數(shù)）之比這個比率稱為“速比”。用字母表示為I=Z1/Z2(Z1:鏈輪齒數(shù)。Z2：飛輪齒數(shù)。I：速比)影響自行車速度快慢的因素：

騎車者騎行時的輸出功率：V=P/f（V：騎行速度。P：人輸出功率。f：騎行阻力）受阻力的影響：A：空氣阻力f空=k空*F*V2（f空：空氣阻力。k空：空氣阻力系數(shù)。F：受風。V：騎行速度）B：滾動阻力f滾=（G1+G2）k滾

（f滾：滾動阻力。G1：自行車重力。G2：自行車和人共重。k滾：滾動阻力系數(shù)。）要減小滾動阻力就要減少自行車的重力和減少滾動阻力，摩擦因素。C：爬坡阻力：坡度越大，爬坡阻力就越大。D：加速阻力：只是在加速時產(chǎn)生的。

fa=G+G當/g*a（fa:加速阻力G:自行車重G當：轉(zhuǎn)動相當重力）四、自行車上的力學應用測量中的應用力與運動的應用壓強知識的應用簡單機械知識的應用功、機械能知識的應用慣性定律的應用1．測量中的應用在測量跑道的長度時，可運用自行車。如普通車輪的直徑為0.71米或0.66米。那么轉(zhuǎn)過一圈長度為直徑乘圓周率π，即約2.23米或2.07米，然后，讓車沿著跑道滾動，記下滾過的圈數(shù)n，則跑道長為n×2.23米或n×2.07米。2．力和運動的應用(1)減小與增大摩擦

車的前軸、中軸及后軸均采用滾動以減小摩擦。為更進一步減小摩擦，人們常在這些部位加潤滑劑。多處刻有凹凸不平的花紋以增大摩擦。如車的外胎，車把手塑料套，蹬板套、閘把套等。變滾動摩擦為滑動摩擦以增大摩擦。如在剎車時，車輪不再滾動，而在地面上滑動，摩擦大大增加了，故車可迅速停駛。而在剎車的同時，手用力握緊車閘把，增大剎車皮對鋼圈的壓力以達到制止車輪滾動的目的。(2)彈簧的減震作用

車的座墊下安有許多根彈簧，利用它的緩沖作用以減小震動。3．壓強知識的應用(1)自行車車胎上刻有載重量。如車載過重，則車胎受到壓強太大而被壓破。(2)座墊呈馬鞍型，它能夠增大座墊與人體的接觸面積以減小臀部所受壓強，使人騎車不易感到疲勞。4．簡單機械知識的應用自行車制動系統(tǒng)中的車閘把與連桿是一個省力杠桿，可增大對剎車皮的拉力。自行車為了省力或省距離，還使用了輪軸：腳蹬板與鏈輪牙盤；后輪與飛輪及龍頭與轉(zhuǎn)軸等。5．功、機械能的知識運用(1)根據(jù)功的原理：省力必定費距離。