自行車中的力學(xué)原理

1、自行車中的力學(xué)原理00班 王高旻pb05000608自行車是我們?nèi)粘Ｉ钪袠O其常見的一種交通工具。它的出現(xiàn)距今已有百余年的歷史。最早的自行車是由法國人西夫拉克發(fā)明的，它沒有傳動系統(tǒng)，靠兩腳蹬地向前滑行，最快只能達(dá)到時速20公里。后來蘇格蘭人皮埃爾發(fā)明了前輪帶腳蹬的自行車。第一輛現(xiàn)代意義的自行車出現(xiàn)在19世紀(jì)末的英國，后由傳教士帶入中國。據(jù)統(tǒng)計目前中國有大約五億輛自行車。 左圖為自行車的基本結(jié)構(gòu)1:前輪 2:輻條 3:花鼓 4:前叉 5:前剎 6:鋼索 7:剎車及變速把手 8:車把 9:豎桿 10:車架 11:前變速 12:車座桿 13:車座 14:后剎 15:貨架 16:飛輪 17:反光鏡 1

2、8:后輪 19:后變速 20:腳撐 21:氣門 22:后輪 23:鏈條24:輪盤 25:腳踏 26:曲柄 *幾個重要的概念： 傳動裝置：包括主動齒輪（輪盤）、被動齒輪（飛輪）、鏈條及變速器。 齒輪比：主動齒輪（輪盤）與被動齒輪（飛輪）的齒數(shù)之比； 傳動比：齒輪比乘以后輪的直徑； 傳動行程：傳動比再乘以圓周率即為傳動行程，即每蹬踏一周單車前進(jìn)的距離。*自行車運動力學(xué)        自行車運動是一種半機(jī)械化運動。人們應(yīng)掌握一定的機(jī)械原理和力學(xué)知識，有效地利用傳動速比，合理掌握運動強(qiáng)度，巧妙節(jié)省體能消耗，從而以充沛的體力，達(dá)到高效

3、的運動·自行車傳動 自行車是傳動式機(jī)械，它的傳動裝置包括主動齒輪、被動齒輪、鏈條及變速器等。齒輪比與傳動比關(guān)系著自行車的使用效率。后輪運轉(zhuǎn)實質(zhì)在于：在鏈條傳動下的飛輪帶動后輪轉(zhuǎn)動，飛輪與后輪具有相同的角速度，而后輪半徑遠(yuǎn)大于齒輪半徑，由線速度增大，提高了車速。齒輪比:主動輪對被動輪的齒數(shù)之比為齒輪比。如果兩個齒輪的齒數(shù)相同，那末踏蹬一周，兩個齒輪和后輪都各旋轉(zhuǎn)一周。假如主動齒輪的齒數(shù)大于被動齒輪的齒數(shù)，那么每踏蹬一周，被動齒輪轉(zhuǎn)的圈數(shù)就大于一周多，速度加大。因此，齒輪比與主動輪的齒數(shù)成正比，與被動齒輪的齒數(shù)成反比。以g代表齒輪比，c代表主動齒輪的齒數(shù)，f代表被動齒輪的齒數(shù)，它們之間的

4、關(guān)系用公式表示，即：g=c/f例如：賽車輪盤為49齒，飛輪為14齒，即可求出齒輪比為: g=c/f=49/14=3.5 也就是說蹬踏輪盤一周，飛輪轉(zhuǎn)三周半。 小齒輪盤踏板大齒輪盤后輪大小齒輪之間用鏈條相連，則大小齒輪盤沿線速度大小相同，而小齒輪和后輪之間通過輪軸相連，他們的角速度則由，設(shè)后輪沿速度為，則=我們通過進(jìn)一步研究可知人踩踏板速度v和后輪轉(zhuǎn)動速度之間關(guān)系，踏板和大齒輪盤同軸，則 則由 故      傳動比（傳動系數(shù)）：齒輪比乘以后圈直徑即為傳動比。以d代表傳動比，b代表后圈直徑，它們之間關(guān)系用公式表示，即：d=c/f×b=gb由此可見，

5、齒輪比確定之后，傳動比是與后圈直徑成正比的。例如：輪盤為49齒，飛輪為14齒，后圈直徑為27寸（一般習(xí)慣用英寸），代人公式即可求出傳動比： d=c/f×b=49/14×27 = 3.5×27 94.5     傳動行程:每踏蹬一周，車子向前運動的距離則為傳動行程，也叫速比行程。其計算方法是傳動比乘以圓周率。以 m代表傳動行程，;代表圓周率（此為常數(shù)，314），它 們之間關(guān)系用公式來表示。即m=c/f×b×    例如，賽車輪盤為49齒，飛輪為14齒,后輪真徑為27寸

6、,求它行程距離時,代人公式：   m=c/f×b×=49/14×27×3.14×2.54 =754cm    以上數(shù)據(jù)是自行車每踏蹬一周，車子向前行進(jìn)行745cm, 即 7.54m. 變速自行車是通過調(diào)整齒輪比來達(dá)到變速目的。·速度計算v=s/t  s=v×t   t=s/v  ·空氣阻力 車子向前進(jìn),必須借助于一定的力量。人每踏蹬一周的力量，叫前進(jìn)力，也叫向前推力。前進(jìn)力與用力、傳動比、曲柄（即

7、中軸到腳蹬的連桿）長有關(guān)。以y代表前進(jìn)力，q代表踏蹬力量，i代表曲柄長度，d代表傳動比，它們之間的關(guān)系用公式表示則為  yq×i/d前進(jìn)力（y）與踏蹬力量（q），曲柄長度（i）成正比,與傳動系數(shù)（d）則成反比。例如：傳動系數(shù)為94.5，曲柄長度為7英寸，踏蹬力量為25公斤力，前進(jìn)力則為：y=q×i/d=25×7/94.5=1.85公斤力 人們騎車向前進(jìn)時，必須突破空氣阻力，這就需要力量。不同風(fēng)級所產(chǎn)生的風(fēng)速，和垂直風(fēng)向每平方米所受到的壓力均不相同，只有克服這些因素，車子才能向前行駛。如：無風(fēng)騎行時受風(fēng)面積為0.5平方米，自行車前進(jìn)速度為每小時4

8、0公里，空氣對人們的壓力為5.5公斤力。因此，人們必須用大于5.5公斤的前進(jìn)力才能使車子前進(jìn)。當(dāng)運動員以自己全部體重在踏蹬點上，那么所產(chǎn)生的前進(jìn)力是多大呢（暫不計算車子摩擦部分所消耗的力量）？例如：一運動員體重70公斤，自行車曲柄長度7寸，傳動比為94.5，所產(chǎn)生的前進(jìn)力是：y=q×i/d=70×7/94.5=5.19公斤。前進(jìn)力是5.19公斤力，遇到六級風(fēng)的阻力是0.5平方米為5.5公斤，運動員使用全部力量車子前進(jìn)力才有5.19公斤/0.5平方米  ，仍小于六級風(fēng)的阻力。所以，在六級風(fēng)的情況下運用94.5的傳動系數(shù)的運動員是很難騎車前進(jìn)的。就必須改變傳

9、動系數(shù)。 風(fēng)級表風(fēng)級風(fēng)名風(fēng)速米/秒風(fēng)速公里/寸在垂直于風(fēng)向的每平方米上所受到的壓力kg1軟風(fēng)140.12輕風(fēng)2.590.53微風(fēng)4.51624和風(fēng)6.52345清風(fēng)8.53166強(qiáng)風(fēng)1140117疾風(fēng)1450178大風(fēng)1760259烈風(fēng)20723610狂風(fēng)23844711暴風(fēng)27976412颶風(fēng)29以上105以上74以上*自行車身上的力學(xué)知識自行車在我國是很普及的代步和運載工具。在它的身上運用了許多力學(xué)知識，1力和運動的應(yīng)用(1)減小與增大摩擦。車的前軸、中軸及后軸均采用滾珠，變滑動摩擦為滾動摩擦。為更進(jìn)一步減小摩擦，人們常在這些部位加潤滑劑。自行車的車胎、車把套、踏板等處都刻有凹凸

10、不平的花紋以增大摩擦。如在剎車時，車輪不再滾動，而在地面上滑動，滾動摩擦變?yōu)榛瑒幽Σ?，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(dá)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。因而坐在車后的貨架上的人會比坐在車前坐墊上的人震動劇烈。2壓強(qiáng)知識的應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)，使人騎車不易感到疲勞。(3) 自行車的內(nèi)胎充入了大量的空氣，它是支撐車身的主力。當(dāng)充入車胎內(nèi)氣體不充足時，胎內(nèi)壓強(qiáng)小于外界壓強(qiáng)

11、，由p=f/s，f一定，而壓強(qiáng)p減小，車胎與地面接觸面積s增大。從而使原來的滾動變?yōu)榕c地面滑動，摩擦力增加，影響到車的行駛速度。反之，當(dāng)胎內(nèi)氣體充足時，騎車時就可達(dá)到輕而快的效果。3簡單機(jī)械知識的應(yīng)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。自行車的腳踏板與中軸也相當(dāng)于一個輪軸，實質(zhì)為一個省力杠桿自行車的飛輪也相當(dāng)于一個省力的輪軸。一個車輪上共有根輻絲，構(gòu)成一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)給輪胎施加豎直向下的壓力時，車豎直方向上的上下各六根輻絲受到壓力，而水平方向上的輻絲也受力。做實驗可知，當(dāng)用力壓輪胎時，輪胎幾乎沒有變形，而抽去輪胎水平方向兩側(cè)的輻絲，再用力壓輪胎，輪胎在豎直方向會

12、被壓扁。因此自行車的輪胎選用了輻絲交叉的方法，使整個車輪穩(wěn)固，可分散受力，避免因巨大外力導(dǎo)致車輪扭曲變形。4功能的知識運用 人們在騎自行車上較陡的坡時，往往走“s”形路線，這是根據(jù)功的原理。坡長相當(dāng)于斜面長，坡高相當(dāng)于斜面高，根據(jù)功的原理：w1w2，即flgh，可看出，斜面長l是斜面高h(yuǎn)的幾倍，所用的力f就是重力g的幾分之一，所以，在高度h不變的情況下，斜面越長越省力，走“s”形路線是為了增大斜面長，從而能使用較小的力順利上坡。5慣性快速行駛的自行車，如果突然把前輪剎住，后輪會跳起來。前輪受到阻力而突然停止運動，但人和后輪沒有受到阻力，由于慣性，人和后輪要保持繼續(xù)向前的運動狀態(tài)，所以車體會以前輪與地面的接觸點為支點做轉(zhuǎn)動。速度越大則轉(zhuǎn)動幅度越大。因此下坡或高速行駛時，要先剎后剎，再剎前剎；或前后剎一起剎，決不能單獨用自行車的前剎剎車，否則會出現(xiàn)翻車事故。自行車轉(zhuǎn)彎時，為克服離心力，人的身體通常會有意向轉(zhuǎn)彎方向傾斜，而且同時要減速，使摩擦力足夠提供向心力。減速時后剎不宜使用過猛，否則車子可能掉頭或滑倒。*關(guān)于折疊自行車  現(xiàn)有小輪自行車受傳動比的限制，速度達(dá)不到普通英寸自行車的水平，難以滿足成人代步的要求，只能供少年兒童使用。于是，當(dāng)小輪踏板摩托車、電動踏板車風(fēng)靡都市，人們?nèi)匀恢?/p>