自行車(chē)中的力學(xué)原理

1、自行車(chē)中的力學(xué)原理00班王高旻PB05000608自行車(chē)是我們?nèi)粘Ｉ钪袠O其常見(jiàn)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(chē)是由法國(guó)人西夫拉克發(fā)明的，它沒(méi)有傳動(dòng)系統(tǒng)， 靠?jī)赡_蹬地向前滑行，最快只能達(dá)到時(shí)速20公里。后來(lái)蘇格蘭人皮埃爾發(fā) 明了前輪帶腳蹬的自行車(chē)。第一輛現(xiàn)代意義的自行車(chē)出現(xiàn)在19世紀(jì)末的英國(guó)，后由傳教士帶入中國(guó)。據(jù)統(tǒng)計(jì)目前中國(guó)有大約五億輛自行車(chē)。左圖為自行車(chē)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(chē)及變速把手8:車(chē)把9:豎桿10:車(chē)架11:前變 速12:車(chē)座桿13:車(chē)座14:后剎15:貨架16:飛 輪17:反光鏡18:后輪19:后變速20:

2、腳撐21:氣門(mén)22:后輪23:鏈條24:輪盤(pán)25:腳踏26:曲柄 幾個(gè)重要的概念：傳動(dòng)裝置：包括主動(dòng)齒輪（輪盤(pán)）、被動(dòng)齒輪（飛輪）、鏈條及變速器。 齒輪比：主動(dòng)齒輪（輪盤(pán)）與被動(dòng)齒輪（飛輪）的齒數(shù)之比； 傳動(dòng)比：齒輪比乘以后輪的直徑；傳動(dòng)行程：傳動(dòng)比再乘以圓周率即為傳動(dòng)行程，即每蹬踏一周單車(chē)前進(jìn) 的距離。*自行車(chē)運(yùn)動(dòng)力學(xué)自行車(chē)運(yùn)動(dòng)是一種半機(jī)械化運(yùn)動(dòng)。人們應(yīng)掌握一定的機(jī)械原理和力學(xué)知 識(shí)，有效地利用傳動(dòng)速比，合理掌握運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，巧妙節(jié)省體能消耗，從而以 充沛的體力，達(dá)到高效的運(yùn)動(dòng)自行車(chē)傳動(dòng)自行車(chē)是傳動(dòng)式機(jī)械，它的傳動(dòng)裝置包括主動(dòng)齒輪、被動(dòng)齒輪、鏈條及 變速器等。齒輪比與傳動(dòng)比關(guān)系著自行車(chē)的使用效率

3、。后輪運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)質(zhì)在于：在鏈條傳動(dòng)下的飛輪帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，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(chē)速。齒輪比:主動(dòng)輪對(duì)被動(dòng)輪的齒數(shù)之比為齒輪比。如果兩個(gè)齒輪的齒數(shù)相 同，那末踏蹬一周，兩個(gè)齒輪和后輪都各旋轉(zhuǎn)一周。 假如主動(dòng)齒輪的齒數(shù)大 于被動(dòng)齒輪的齒數(shù)，那么每踏蹬一周，被動(dòng)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(dòng)輪的齒數(shù)成正比，與被動(dòng)齒輪的齒數(shù)成反比。以g代表齒輪比，c代表主動(dòng)齒輪的齒數(shù)，f代表被動(dòng)齒輪的齒數(shù)，它們之 間的關(guān)系用公式表示，即：g=c/f例如：賽車(chē)輪盤(pán)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(shuō)

4、蹬踏輪盤(pán)一周，飛輪轉(zhuǎn)三周半。18大小齒輪之間用鏈條相連，則大小齒輪盤(pán)沿線速度大小相同，V廣V2，而小齒輪和后輪之間通過(guò)輪軸相連，他們的角速度2=冷3則由V =，設(shè)后 輪沿速度為y3，則V3二R3=R3V2R2R2我們通過(guò)進(jìn)一步研究可知人踩踏板速度v和后輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度V3之間關(guān)系，踏 板和大齒輪盤(pán)同軸，則由仏=艮故乂二衛(wèi)RLV2R2V3R1R3傳動(dòng)比（傳動(dòng)系數(shù)）：齒輪比乘以后圈直徑即為傳動(dòng)比。以d代表傳動(dòng) 比，b代表后圈直徑，它們之間關(guān)系用公式表示，即：d=c/fxb=gb由此可見(jiàn)，齒輪比確定之后，傳動(dòng)比是與后圈直徑成正比的。例如：輪盤(pán)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

5、公式即可求出傳動(dòng)比：d=c/fxb=49/14x27 = 3.5x27=94.5傳動(dòng)行程：每踏蹬一周，車(chē)子向前運(yùn)動(dòng)的距離則為傳動(dòng)行程，也叫速比 行程。其計(jì)算方法是傳動(dòng)比乘以圓周率。以m代表傳動(dòng)行程，n;代表圓周率（此為常數(shù)，n=3.14），它 們之間關(guān)系用公式來(lái)表示。即m=c/fxbXn例如，賽車(chē)輪盤(pán)為49齒，飛輪為14齒,后輪真徑為27寸,求它行程距離 時(shí)，代人公式：m=c/fxbxn=49/14x27x3.14x2.54 =754CM以上數(shù)據(jù)是自行車(chē)每踏蹬一周，車(chē)子向前行進(jìn)行745cm,即7.54m.變速自行車(chē)是通過(guò)調(diào)整齒輪比來(lái)達(dá)到變速目的。速度計(jì)算V=S/T _R_7RViVS=VX T

6、T=S/V空氣阻力車(chē)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(dòng)比、曲柄（即中軸到腳蹬的連桿）長(zhǎng) 有關(guān)。以丫代表前進(jìn)力，Q代表踏蹬力量，I代表曲柄長(zhǎng)度，D代表傳動(dòng)比， 它們之間的關(guān)系用公式表示則為Y=QXI/D前進(jìn)力（丫與踏蹬力量（Q）,曲柄長(zhǎng)度（I）成正比，與傳動(dòng)系數(shù)（D）則成反比。例如：傳動(dòng)系數(shù)為94.5，曲柄長(zhǎng)度為7英寸，踏蹬力量為25公斤力， 前進(jìn)力則為：Y=CXI/D=25X7/94.5=1.85公斤力人們騎車(chē)向前進(jìn)時(shí)，必須突破空氣阻力，這就需要力量。不同風(fēng)級(jí)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

7、，車(chē)子才能向前行駛。如：無(wú)風(fēng)騎行時(shí)受風(fēng)面積為0.5平方米，自行車(chē)前進(jìn)速度為每小時(shí)40公里，空氣對(duì)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(chē)子前進(jìn)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員以自己全部體重 在踏蹬點(diǎn)上，那么所產(chǎn)生的前進(jìn)力是多大呢（暫不計(jì)算車(chē)子摩擦部分所消 耗的力量）？例如：一運(yùn)動(dòng)員體重70公斤，自行車(chē)曲柄長(zhǎng)度7寸，傳動(dòng)比 為94.5，所產(chǎn)生的前進(jìn)力是：Y=CXI/D=70X7/94.5=5.19公斤。前進(jìn)力是5.19公斤力，遇到六級(jí)風(fēng)的阻力是0.5平方米為5.5公斤， 運(yùn)動(dòng)員使用全 部力量車(chē)子前進(jìn)力才有5.19公斤/0.5平方米， 仍小于六級(jí)風(fēng)的阻力。所 以，在六級(jí)風(fēng)的情況下運(yùn)用9

8、4.5的傳動(dòng)系數(shù)的運(yùn)動(dòng)員是很難騎車(chē)前進(jìn)的。 就必須改變傳動(dòng)系數(shù)。風(fēng)級(jí)表風(fēng) 級(jí)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)8.5r 31166強(qiáng)風(fēng)1140117疾風(fēng)1450178 :大風(fēng)17r 60 n259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(chē)身上的力學(xué)知識(shí)自行車(chē)在我國(guó)是很普及的代步和運(yùn)載工具。在它的身上運(yùn)用了許多力學(xué) 知識(shí)，1.力和運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用(1)減小與增大摩擦。車(chē)的前軸、中軸及后軸均采用滾珠，變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦。為更進(jìn) 步減小摩擦

9、，人們常在這些部位加潤(rùn)滑劑。自行車(chē)的車(chē)胎、車(chē)把套、踏板等處都刻有凹凸不平的花紋以增大摩擦。如在剎車(chē)時(shí)，車(chē)輪不再滾動(dòng)，而在地面上滑動(dòng)，滾動(dòng)摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，故 車(chē)可迅速停駛。而在剎車(chē)的同時(shí)，手用力握緊車(chē)閘把，增大剎車(chē)皮對(duì)鋼圈的壓力以達(dá)到制止車(chē)輪滾動(dòng)的目的。(2)彈簧的減震作用。車(chē)的座墊下安有許多根彈簧，利用它的緩沖作用 以減小震動(dòng)。因而坐在車(chē)后的貨架上的人會(huì)比坐在車(chē) 前坐墊上的人震動(dòng)劇烈。2.壓強(qiáng)知識(shí)的應(yīng)用(1)自行車(chē)車(chē)胎上刻有載重量。如車(chē)載過(guò)重，則車(chē)胎受到壓強(qiáng)太大而被 壓破。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(chē)不易感到疲勞。(3)自行車(chē)的內(nèi)胎充入了大量的空

10、氣，它是支撐車(chē)身的主力。當(dāng)充入車(chē) 胎內(nèi)氣體不充足時(shí)，胎內(nèi)壓強(qiáng)小于外界壓強(qiáng)，由P=F/S, F一定，而壓強(qiáng)P減小，車(chē)胎與地面接觸面積S增大。從而使原來(lái)的滾動(dòng)變?yōu)榕c地面滑動(dòng)，摩 擦力增加，影響到車(chē)的行駛速度。反之，當(dāng)胎內(nèi)氣體充足時(shí)，騎車(chē)時(shí)就可達(dá) 到輕而快的效果。3.簡(jiǎn)單機(jī)械知識(shí)的應(yīng)用自行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中的車(chē)閘把與連桿是一個(gè)省力杠 桿，可增大對(duì)剎車(chē)皮的拉力。自行車(chē)的腳踏板與中軸也 相當(dāng)于一個(gè)輪軸，實(shí)質(zhì)為一個(gè)省力杠桿.自行車(chē)的飛輪 也相當(dāng)于一個(gè)省力的輪軸。一個(gè)車(chē)輪上共有36根輻絲，構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)給輪胎施加豎直向 下的壓力時(shí)，車(chē)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(shí)驗(yàn)可知

11、，當(dāng)用力壓輪胎時(shí)，輪胎幾乎沒(méi)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(huì)被壓扁。因此自行 車(chē)的輪胎選用了輻絲交叉的方法， 使整個(gè)車(chē)輪穩(wěn)固，可分散受力，避免因巨 大外力導(dǎo)致車(chē)輪扭曲變形。4.功能的知識(shí)運(yùn)用人們?cè)隍T自行車(chē)上較陡的坡時(shí)，往往走S”形路線，這是根據(jù)功的原理。 坡長(zhǎng)相當(dāng)于斜面長(zhǎng)，坡高相當(dāng)于斜面高，根據(jù)功的原理：W仁W2即FL=Gh可看出，斜面長(zhǎng)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(zhǎng)越省力，走S形路線是為了增大斜面長(zhǎng)， 從而能使用較小的力順利上坡。5.慣性快速行駛的自行車(chē)，如果突然把前輪剎住，后輪會(huì)跳起來(lái)。前輪受

12、到阻 力而突然停止運(yùn)動(dòng)，但人和后輪沒(méi)有受到阻力，由于慣性，人和后輪要保持 繼續(xù)向前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 所以車(chē)體會(huì)以前輪與地面的接觸點(diǎn)為支點(diǎn)做轉(zhuǎn)動(dòng)。 速 度越大則轉(zhuǎn)動(dòng)幅度越大。因此下坡或高速行駛時(shí)，要先剎后剎，再剎前剎； 或前后剎一起剎，決不能單獨(dú)用自行車(chē)的前剎剎車(chē)，否則會(huì)出現(xiàn)翻車(chē)事故。自行車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，為克服離心力，人的身體通常會(huì)有意向轉(zhuǎn)彎方向傾斜，而且同時(shí)要減速， 使摩擦力足夠提供向心力。 減速時(shí)后剎不宜使用過(guò)猛， 否 則車(chē)子可能掉頭或滑倒。*關(guān)于折疊自行車(chē)現(xiàn)有小輪自行車(chē)受傳動(dòng)比的限制，速度達(dá)不到普通26英寸自行車(chē)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(chē)、電動(dòng)踏板車(chē)風(fēng)靡都市，人們?nèi)匀恢荒茯T著笨重的26英寸的自行車(chē)艱 難前行。而微型折疊自行車(chē)