自行車的力學(xué)原理

1、自行車的力學(xué)原理【論文摘要】自行車是我們?nèi)粘Ｉ钪袠O其常見的一種交通工具。中國作為世界上的一個“自行車大國”，與自行車更過著不解的情緣。自行車的出現(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)計目前中國有大約七億輛自行車。騎自行車是當(dāng)下戶外活動的熱門交通方式，它不僅有益身心健康，更體現(xiàn)了環(huán)保、自然的生活理念。簡單的自行車中含有許多的物理知識，我們通過研究自行車來學(xué)習(xí)更多的物理知識。一、【論文關(guān)鍵詞】：自行

2、車摩擦力剎車系統(tǒng)摩擦力的大小跟兩個因素有關(guān)：壓力的大小、接觸面的粗糙程度。壓力越大，摩擦力越大；接觸面越粗糙，摩擦力越大。自行車外胎有凸凹不平的花紋，這是通過增大自行車與地面間的粗糙程度，來增大摩擦力的，其目的是為了防止自行車打滑。當(dāng)我們騎在自行車上時，由于人和自行車對地面有壓力，輪胎和地面之間不光滑，因此自行車與路面之間有摩擦，當(dāng)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，后輪與地面相對向后運(yùn)動，自行車就前進(jìn)在自行車的前軸、中軸、后軸、車把轉(zhuǎn)動處，腳蹬轉(zhuǎn)動處等地方，都安有鋼珠。人們騎自行車總是希望輕松、靈活、省力。而用滾

3、動代替滑動就可以大大減小摩擦力，因此要在自行車轉(zhuǎn)動的地方安裝鋼珠，我們可以經(jīng)常加潤滑油，使接觸面彼此離開，這樣就可以使摩擦力變得更小。剎車時，剎皮與車圈間的摩擦力，會阻礙后輪的轉(zhuǎn)動。手的壓力越大，剎皮對車圈的壓力就越大，產(chǎn)生的摩擦力也就越大，后輪就轉(zhuǎn)動的越慢。如果完全剎死，這時后輪與地面之間的摩擦就變?yōu)榛瑒幽Σ亮Γㄔ瓉頌闈L動摩擦，方向向前），方向向后，阻礙了自行車的運(yùn)動，因此就停下來了。把自行車的后輪看成是一個杠桿，軸心是定點，很明顯，軸剎的力臂比輪剎的力臂短，所以作用在輪剎上的力可以更輕易使車輪停止轉(zhuǎn)動。但是，輪剎和輪框的接觸只有兩個面，只能產(chǎn)生兩個摩擦力；而軸剎帶和車軸的接觸面類似于一個3

4、/4優(yōu)弧，可以產(chǎn)生多個摩擦力。這樣，即使是在軸上剎車，也不用擔(dān)心摩擦力過小而使不了車輪停止轉(zhuǎn)動。但是，在車速較快時使用輪剎剎車對輪剎傷害很大，因為輪剎剎車時與輪框上的剎車點是相對靜止的，車速較大時自行車難以瞬間停下來，輪剎會隨剎車點向前運(yùn)動，容易造成歪曲變形。然而，輪剎卻擁有類似與汽車ABS系統(tǒng)的點剎效果，且瞬間制動力好。綜上所述，在車速較慢時使用輪剎，能使自行車在最短時間內(nèi)停下來，使用輪剎點剎，能使車速在較快的速度下迅速慢下來；而在車速較快時，使用軸剎能使自行車短時間內(nèi)安穩(wěn)地停下來，且不會損壞自行車零件。自行車行進(jìn)時輪胎與地面的摩擦力如何？無論什么情況，前輪都是從動輪，摩擦力方向都是向后。1

5、、加速時，輪速大于車速，后輪是自行車前進(jìn)的動力來源，所以后輪是主動輪。在接觸面，后輪與地面相對向后運(yùn)動，所以摩擦力向前，后輪速度大于車速，所以車會做加速運(yùn)動。2、減速時（不踩動），后輪的速度小于車速，因此后輪隨車的向前運(yùn)動而轉(zhuǎn)動，所以后輪是從動輪。在接觸面，后輪與地面相對向前運(yùn)動，所以摩擦力方向向后。3、勻速時，車受力平衡，人踩的力和車輪與地面的摩擦力抵消，車輪與地面相對向后運(yùn)動，所以摩擦力向前。為什么自行車不裝ABSAB6中文譯為“防鎖死剎車系統(tǒng)”.它是一種具有防滑、防鎖死等優(yōu)點的汽車安全控制系統(tǒng).在遭遇緊急情況時，未安裝ABS系統(tǒng)的車輛來不及分段緩剎只能立刻踩死。由于車輛沖刺慣性，瞬間可能

6、發(fā)生側(cè)滑、行駛軌跡偏移與車身方向不受控制等危險狀況！而裝有ABS系統(tǒng)的車輛在車輪即將達(dá)到抱死臨界點時，剎車在一秒內(nèi)可作用60至120次，相當(dāng)于不停地剎車、放松，即相似于機(jī)械自動化的“點剎”動作。從微觀上分析，在輪胎從滾動變?yōu)榛瑒拥呐R界點時輪胎與地面的摩擦力達(dá)到最大。此舉可避免緊急剎車時方向失控與車輪側(cè)滑，同時加大輪胎摩擦力，使剎車效率達(dá)到90%以上。那么，為什么自行車不裝ABS呢？我們分析原因如下：自行車速度較小，質(zhì)量小，剎車制動力好，容易控制，不易側(cè)滑自行車的后輪的V型剎能做到ABS的點殺I效果ABS的價格高ABS的質(zhì)量大。八為什么自行車的鏈條會帶動后輪轉(zhuǎn)動，而后輪不會帶動鏈條轉(zhuǎn)動？當(dāng)向前踏

7、動腳踏時，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(jìn)了。當(dāng)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(dāng)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(dāng)反向踏動腳踏時，外套反向轉(zhuǎn)動，會加速千斤的滑動，使嗒嗒及響得更急促。自行車飛輪0所以，鏈條正常轉(zhuǎn)動會帶動飛輪，而鏈條反方向轉(zhuǎn)動不會帶動飛

8、輪,飛輪的轉(zhuǎn)動不會帶動鏈條。二、自行車的物理知識1、導(dǎo)向系統(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。2、驅(qū)動（傳動或行走）系統(tǒng)：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(jìn)。3、制動系統(tǒng)：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。4、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

9、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(qiáng)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(yùn)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5、外胎：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

10、，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(yīng)越野山地用。6、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(jìn)。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，自行車的驅(qū)動能否順利進(jìn)行。7、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。8、前叉部件：前叉部件在自行

11、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(dǎo)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(dǎo)向作用。止匕外，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(qiáng)度等性質(zhì)。9、鏈條：鏈條又稱車鏈、滾子鏈，安裝在連輪和飛輪上。具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(jìn)。鏈輪：用高強(qiáng)度鋼材制成，保證其達(dá)到需要的拉力。10、飛輪：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

12、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。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。11、自行車上的杠桿A、控制前輪轉(zhuǎn)向的杠桿：自行車的車把，是省力杠桿，人們用很小的力就能轉(zhuǎn)動自行車前輪，來控制自行車的運(yùn)動方向和自行車的平衡。B、控制剎車閘的杠桿：車把上的閘把是省力杠桿，人們用很小的力就能使車閘以較大的壓力壓到車輪的鋼圈上。12、自行車上的輪軸A、中軸上的腳蹬和花盤齒輪：組成省力輪軸（腳蹬半徑大于花盤齒輪半徑）B、自行車手把與前叉軸：組成省力

13、輪軸（手把轉(zhuǎn)動的半徑大于前叉軸的半徑）0C、后軸上的齒輪和后輪：組成費(fèi)力輪軸（齒輪半徑小于后輪半徑）。13、自行車內(nèi)胎充氣：早期的各種輪子都是木輪、鐵輪，顛簸不已?，F(xiàn)代自行車使用充氣內(nèi)胎主要是使胎內(nèi)的壓強(qiáng)增大，可以起到緩沖的作用，同時可以減小自行車前進(jìn)的阻力。氣門芯的作用：充氣內(nèi)胎上的氣門芯，起著單向閥門的作用，只讓氣體進(jìn)入，不讓氣體外漏，方便進(jìn)氣，保證充氣內(nèi)胎的密封。輪胎越大，阻力越大；輪胎的角速度與軸上的角速度相同；輪胎內(nèi)充滿氣體，一是減少與地面的接觸面積，減小滾動摩擦力；二是可以起到減振作用。14、自行車上的紅色尾燈，不能自行發(fā)光，但是到了晚上卻可以提醒司機(jī)注意，因為自行車的尾燈是由很多

14、蜂窩狀的“小室”構(gòu)成的，而每一個“小室”是由三個約成90度的反射面組成的。這樣在晚上時，當(dāng)后面汽車的燈光射到自行車尾燈上，就會產(chǎn)生反射光，由于紅色醒目，就可以引起司機(jī)的注意。15、自行車擋泥板安放的原因是離心力的原理。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動時，車輪上每一個點都會產(chǎn)生離心力，離輪心越遠(yuǎn)離心力越大。當(dāng)車輪與地面接觸的時候，受離心力的作用，會把從地面上沾的污水向車輪運(yùn)動的相反方向甩出，這就是為什么在下雨天騎沒有擋泥板的自行車會把后背甩上污水，也就是自行車安放擋泥板的原因。16、變速自行車靠的就是改變動力臂與阻力臂的比值來改變自行車的用力程度。17、車的前軸、中軸及后軸均采用滾動以減小摩擦。為更進(jìn)一步減小摩擦，人們常在這