1、自行车中的力学原理00 班 王高旻PB05000608自行车是我们日常生活中极其常见的一种交通工具。它的出现距今已有百余年的历史。最早的自行车是由法国人西夫拉克发明的，它没有传动系统，靠两脚蹬地向前滑行，最快只能达到时速 20 公里。后来苏格兰人皮埃尔发明了前轮带脚蹬的自行车。第一辆现代意义的自行车出现在 19 世纪末的英国，后由传教士带入中国。据统计目前中国有大约五亿辆自行车。 左图为自行车的基本结构1:前轮 2:辐条 3:花鼓 4:前叉 5:前刹 6:钢索 7:刹车及变速把手 8:车把 9:竖杆 10:车架 11:前变速 12:车座杆 13:车座 14:后刹 15:货架 16:飞轮 17:
2、反光镜 18:后轮 19:后变速 20:脚撑 21:气门 22:后轮 23:链条 24:轮盘 25:脚踏 26: 曲柄 *几个重要的概念： 传动装置：包括主动齿轮（轮盘）、被动齿轮（飞轮）、链条及变速器。 齿轮比：主动齿轮（轮盘）与被动齿轮（飞轮）的齿数之比； 传动比：齿轮比乘以后轮的直径； 传动行程：传动比再乘以圆周率即为传动行程，即每蹬踏一周单车前进的距离。*自行车运动力学 自行车运动是一种半机械化运动。人们应掌握一定的机械原理和力学知识，有效地利用传动速比，合理掌握运动强度，巧妙节省体能消耗，从而以充沛的体力，达到高效的运动自行车传动 自行车是传动式机械，它的传动装置包括主动齿轮、被动齿
3、轮、链条及变速器等。齿轮比与传动比关系着自行车的使用效率。后轮运转实质在于：在链条传动下的飞轮带动后轮转动，飞轮与后轮具有相同的角速度，而后轮半径远大于齿轮半径，由线速度增大，提高了车速。齿轮比:主动轮对被动轮的齿数之比为齿轮比。如果两个齿轮的齿数相同，那末踏蹬一周，两个齿轮和后轮都各旋转一周。假如主动齿轮的齿数大于被动齿轮的齿数，那么每踏蹬一周，被动齿轮转的圈数就大于一周多，速度加大。因此，齿轮比与主动轮的齿数成正比，与被动齿轮的齿数成反比。以 g 代表齿轮比，c 代表主动齿轮的齿数，f 代表被动齿轮的齿数，它们之间的关系用公式表示，即：g=c/f例如：赛车轮盘为 49 齿，飞轮为 14 齿
4、，即可求出齿轮比为: g=c/f=49/14=3.5 也就是说蹬踏轮盘一周，飞轮转三周半。大小齿轮之间用链条相连，则大小齿轮盘沿线速度大小相同， ，V21而小齿轮和后轮之间通过轮轴相连，他们的角速度 则由 ，设后32R轮沿速度为 ，则V3=R2我们通过进一步研究可知人踩踏板速度 V 和后轮转动速度 之间关系，3踏板和大齿轮盘同轴，则则V121R21由 故 R23V3123传动比（传动系数）：齿轮比乘以后圈直径即为传动比。以 d 代表传动比，b 代表后圈直径，它们之间关系用公式表示，即：d=c/fb=gb由此可见，齿轮比确定之后，传动比是与后圈直径成正比的。例如：轮盘为 49 齿，飞轮为 14
5、齿，后圈直径为 27 寸（一般习惯用英寸） ，代人公式即可求出传动比： d=c/fb=49/1427 = 3.527 94.5传动行程:每踏蹬一周，车子向前运动的距离则为传动行程，也叫速比行程。其计算方法是传动比乘以圆周率。以 m 代表传动行程，;代表圆周率（此为常数，314） ，它 们之间关系用公式来表示。即后轮小齿轮盘大齿轮盘踏板m=c/fb例如，赛车轮盘为 49 齿，飞轮为 14 齿,后轮真径为 27 寸,求它行程距离时,代人公式： m=c/fb=49/14273.142.54 =754CM以上数据是自行车每踏蹬一周，车子向前行进行 745cm, 即 7.54m.变速自行车是通过调整齿轮
6、比来达到变速目的。速度计算V=S/TS=VT T=S/V空气阻力 车子向前进,必须借助于一定的力量。人每踏蹬一周的力量，叫前进力，也叫向前推力。前进力与用力、传动比、曲柄（即中轴到脚蹬的连杆）长有关。以 Y 代表前进力，Q 代表踏蹬力量，I 代表曲柄长度，D 代表传动比，它们之间的关系用公式表示则为 YQI/D前进力（Y）与踏蹬力量（Q） ，曲柄长度（I）成正比,与传动系数（D）则成反比。例如：传动系数为 94.5，曲柄长度为 7 英寸，踏蹬力量为 25 公斤力，前进力则为：Y=QI/D=257/94.5=1.85 公斤力人们骑车向前进时，必须突破空气阻力，这就需要力量。不同风级所产生的风速，
7、和垂直风向每平方米所受到的压力均不相同，只有克服这些因素，车子才能向前行驶。如：无风骑行时受风面积为 0.5 平方米，自行车前进速度为每小时 40 公里，空气对人们的压力为 5.5 公斤力。因此，人们必须用大于 5.5 公斤的前进力才能使车子前进。当运动员以自己全部体重在踏蹬点上，那么所产生的前进力是多大呢（暂不计算车子摩擦部分所消耗的力量）？例如：一运动员体重 70 公斤，自行车曲柄长度 7 寸，传动比为 94.5，所产生的前进力是：Y=QI/D=707/94.5=5.19 公斤。前进力是 5.19 公斤力，遇到六级风的阻力是 0.5 平方米为 5.5 公斤，运动员使用全部力量车子前进力才有
8、 5.19 公斤/0.5 平方米 ，仍小于六级风的阻力。所以，在六级风的情况下运用 94.5 的传动系数的运动员是很难骑车前进的。就必须改变传动系数。风级表风级风名 风速米/秒风速公里/寸在垂直于风向的每平方米上所受到的压力 kg1 软风 1 4 0.12 轻风 2.5 9 0.53 微风 4.5 16 24 和风 6.5 23 45 清风 8.5 31 66 强风 11 40 117 疾风 14 50 178 大风 17 60 259 烈风 20 72 3610 狂风 23 84 4711 暴风 27 97 6412 飓风 29 以上 105 以上 74 以上*自行车身上的力学知识自行车在我
9、国是很普及的代步和运载工具。在它的身上运用了许多力学知识，1力和运动的应用(1)减小与增大摩擦。车的前轴、中轴及后轴均采用滚珠，变滑动摩擦为滚动摩擦。为更进一步减小摩擦，人们常在这些部位加润滑剂。自行车的车胎、车把套、踏板等处都刻有凹凸不平的花纹以增大摩擦。如在刹车时，车轮不再滚动，而在地面上滑动，滚动摩擦变为滑动摩擦，故车可迅速停驶。而在刹车的同时，手用力握紧车闸把，增大刹车皮对钢圈的压力以达到制止车轮滚动的目的。(2)弹簧的减震作用。车的座垫下安有许多根弹簧，利用它的缓冲作用 以减小震动。因而坐在车后的货架上的人会比坐在车前坐垫上的人震动剧烈。2压强知识的应用(1)自行车车胎上刻有载重量。
10、如车载过重，则车胎受到压强太大而被压破。(2)座垫呈马鞍型，它能够增大座垫与人体的接触面积以减小臀部所受压强，使人骑车不易感到疲劳。(3) 自行车的内胎充入了大量的空气，它是支撑车身的主力。当充入车胎内气体不充足时，胎内压强小于外界压强，由 P=F/S，F 一定，而压强P 减小，车胎与地面接触面积 S 增大。从而使原来的滚动变为与地面滑动，摩擦力增加，影响到车的行驶速度。反之，当胎内气体充足时，骑车时就可达到轻而快的效果。3简单机械知识的应用自行车制动系统中的车闸把与连杆是一个省力杠杆，可增大对刹车皮的拉力。自行车的脚踏板与中轴也相当于一个轮轴，实质为一个省力杠杆自行车的飞轮也相当于一个省力的
11、轮轴。一个车轮上共有根辐丝，构成一个网状结构，当给轮胎施加竖直向下的压力时，车竖直方向上的上下各六根辐丝受到压力，而水平方向上的辐丝也受力。做实验可知，当用力压轮胎时，轮胎几乎没有变形，而抽去轮胎水平方向两侧的辐丝，再用力压轮胎，轮胎在竖直方向会被压扁。因此自行车的轮胎选用了辐丝交叉的方法，使整个车轮稳固，可分散受力，避免因巨大外力导致车轮扭曲变形。4功能的知识运用人们在骑自行车上较陡的坡时，往往走“S”形路线，这是根据功的原理。坡长相当于斜面长，坡高相当于斜面高，根据功的原理：W1W2，即FLGh，可看出，斜面长 L 是斜面高 h 的几倍，所用的力 F 就是重力 G 的几分之一，所以，在高度
12、 h 不变的情况下，斜面越长越省力，走“S”形路线是为了增大斜面长，从而能使用较小的力顺利上坡。5惯性快速行驶的自行车，如果突然把前轮刹住，后轮会跳起来。前轮受到阻力而突然停止运动，但人和后轮没有受到阻力，由于惯性，人和后轮要保持继续向前的运动状态，所以车体会以前轮与地面的接触点为支点做转动。速度越大则转动幅度越大。因此下坡或高速行驶时，要先刹后刹，再刹前刹；或前后刹一起刹，决不能单独用自行车的前刹刹车，否则会出现翻车事故。自行车转弯时，为克服离心力，人的身体通常会有意向转弯方向倾斜，而且同时要减速，使摩擦力足够提供向心力。减速时后刹不宜使用过猛，否则车子可能掉头或滑倒。*关于折叠自行车现有小
13、轮自行车受传动比的限制，速度达不到普通英寸自行车的水平，难以满足成人代步的要求，只能供少年儿童使用。于是，当小轮踏板摩托车、电动踏板车风靡都市，人们仍然只能骑着笨重的英寸的自行车艰难前行。而微型折叠自行车的出现，解决了小轮自行车受传动比限制的技术难题，使小轮自行车不但体积小、重量轻而且速度快，十分便于骑行、携带和存放。该车使用单列向心球轴承、辐板结构等，12 英寸样车的速度与英寸自行车相同，骑行操控性、舒适性、安全性均非常令人满意，完全可满足成人代步需要，该车重量只有公斤，成本大大低于普通英寸自行车，开发形成系列产品后，极有潜力在城市部分取代英寸自行车。 自行车是我们日常生活中极其常见的一种交
14、通工具。它的出现距今已有百余年的历史。最早的自行车是由法国人西夫拉克发明的，它没有传动系统，靠两脚蹬地向前滑行，最快只能达到时速 20 公里。后来苏格兰人皮埃尔发明了前轮带脚蹬的自行车。第一辆现代意义的自行车出现在 19 世纪末的英国，后由传教士带入中国。据统计目前中国有大约五亿辆自行车。 自行车运动力学 自行车运动是一种半机械化运动。人们应掌握一定的机械原理和力学知识，有效地利用传动速比，合理掌握运动强度，巧妙节省体能消耗，从而以充沛的体力，达到高效的运动自行车传动 自行车是传动式机械，它的传动装置包括主动齿轮、被动齿轮、链条及变速器等。齿轮比与传动比关系着自行车的使用效率。后轮运转实质在于：在链条传动下的飞轮带动后轮转动，飞轮与后轮具有相同的角速度，而后轮半径远大于齿轮半径，由线速度增大，提高了车速。
