理論力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告初稿

自行車力學(xué)研究內(nèi)容摘要：本文通過對平日里生活中最常見的交通工具自行車的觀察，通過公式推導(dǎo)，對其行進(jìn)運(yùn)動和傳動方式進(jìn)行了理論力學(xué)方面的分析。正文：自行車，又稱腳踏車或單車，通常是二輪的小型陸上車輛。人騎上車后，以腳踩踏板為動力，是綠色環(huán)保的交通工具。自行車是人類發(fā)明的最成功的一種人力機(jī)械，是由許多簡單機(jī)械組成的復(fù)雜機(jī)械。1791年，一位名叫西夫拉克的法國人最先創(chuàng)造出了現(xiàn)代自行車的原型“木馬輪”，雖然它沒有驅(qū)動裝置也沒有轉(zhuǎn)向裝置，騎車人靠雙腳用力蹬地前行，改變方向時(shí)也只能下車搬動車子。經(jīng)過近一百年的發(fā)展，在1874年誕生了真正具有現(xiàn)代形式的自行車。英國人羅松在這一年里，別出心裁地在自行車上裝上了鏈條和鏈輪，用后輪的轉(zhuǎn)動來推動車子前進(jìn)。又經(jīng)過不斷地發(fā)展、改進(jìn)，才逐漸演變出了現(xiàn)在隨處可見的自行車型。在本文中涉及的幾個重要的自行車概念：1）、傳動裝置：包括主動齒輪（輪盤）、被動齒輪（飛輪）、鏈條及變速器。2）、齒輪比：主動齒輪（輪盤）與被動齒輪（飛輪）的齒數(shù)之比。3）、傳動比：齒輪比乘以后輪的直徑。4）、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。自行車上的力學(xué)原理自行車作為一種復(fù)雜機(jī)械，其涉及很多理論力學(xué)方面的原理，如：減小與增大摩擦車的前軸，中軸及后軸均采用滾動軸承以減小摩擦。為更進(jìn)一步減小摩擦，人們常在這些部位加潤滑劑。多車身多處刻有凹凸不平的花紋以增大摩擦，如車把、腳踏板。而在剎車的同時(shí)，手用力握緊閘把，增大剎車皮對鋼圈的壓力以達(dá)到制止車輪滾動的目的。彈簧的減振作用車的坐墊下安有許多根彈簧，利用它的緩沖作用以減小振動。壓強(qiáng)知識的運(yùn)用坐墊呈馬鞍形，它能夠增大坐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。簡單機(jī)械知識的運(yùn)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：腳踏板與鏈輪牙盤；后輪與飛輪及龍頭與轉(zhuǎn)軸等。運(yùn)動與傳動原理接下來，筆者就要以其自行車大行sp8為例，對自行車的運(yùn)動和傳動進(jìn)行一個淺析。自行車運(yùn)動是一種半機(jī)械化運(yùn)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(yùn)動強(qiáng)度，巧妙節(jié)省體能消耗，從而以充沛的體力，達(dá)到高效的運(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)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。如果兩個齒輪的齒數(shù)相同，那么踏蹬一周，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)，它們之間的關(guān)系用公式表示，即：g=c/f。例如：大行sp8傳動與變速系統(tǒng)配置中，牙盤為53齒，飛輪有八級變速，為11—32齒，則可以算出最大齒比gmax=53÷11＝4.818，最小齒比gmin=53÷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，V1=V2，而小齒輪和后輪之間通過輪軸相連，他們的角速度相同ω1=筆者通過進(jìn)一步計(jì)算可知人踩踏板的速度和后輪轉(zhuǎn)動速度V3VVV又因?yàn)?/p>

V所以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，齒輪比確定之后，傳動比是與后圈直徑成正比的。后圈越大，傳動比越大。例如，在大行sp8的后圈直徑為20寸（自行車輪圈直徑習(xí)慣用寸表示），約為0.67m。代入公式：dmax=dmin=每踏蹬一周，車子向前運(yùn)動的距離則為傳動行程，也叫速比行程。其計(jì)算方法是傳動比乘以圓周率。以m代表傳動行程，π代表圓周率（此為常數(shù)，取π＝3.14），它們之間關(guān)系用公式來表示，即：m=d×π所以大行sp8的傳動行程：mm因?yàn)樽兯僮孕熊嚨凝X輪比可變，所以其傳動行程也可變。當(dāng)在順風(fēng)、下坡時(shí)，可使用大齒輪比，達(dá)到大的傳動行程，便于加快車速；當(dāng)在逆風(fēng)、上坡時(shí)，可調(diào)節(jié)至較小齒輪比，減小傳動行程，從而達(dá)到省力的效果。隨著人類科技的發(fā)展，越來越多的新技術(shù)、新方法被用到了自行車制造中，如變速裝置的出現(xiàn)，輕便的碳化車身的使用等。隨著科技的發(fā)展，總有一些過時(shí)的機(jī)械設(shè)計(jì)會被淘汰。但是作為人類所發(fā)明的最成功的人類機(jī)械之一的自行車，也一定會在不斷進(jìn)步的世界中，留有它不可或缺的一席之地。參考文獻(xiàn)：[1].百度百科.自行車[OL]./view/6328.htm一、摩擦1、啟動過程中的摩擦力在鏈條驅(qū)動下，后輪胎逆時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)，輪胎與地面接觸處相對于地面有向后運(yùn)動的趨勢，故地面對后輪胎施加向前的摩擦力f1，此摩擦力成為自行車向前運(yùn)動的動力。在此力的作用下，自行車整體具有向前運(yùn)動的趨勢，自行車的前輪胎與地面接觸處相對于地面有向前運(yùn)動的趨勢，則地面將對前輪胎產(chǎn)生向后的摩擦力f2，在f2的作用下，前輪胎便沿著后輪胎相同的方向轉(zhuǎn)動起來，自行車就向前運(yùn)動，因此，人們也將后輪胎稱為主動輪，前輪胎稱為從動輪。假如沒有摩擦力會出現(xiàn)什么情況呢？同樣以人在冰面上為例，當(dāng)站在冰面上時(shí)，摩擦力很小，幾乎為零。這時(shí)人要向前走是很困難的，并且會很容易摔倒。同理，下雨天或下雪天時(shí)，由于地面摩擦力變小，人騎自行車很容易摔倒，也就是通常所說的打滑。我們知道，自行車的輪胎并不是光滑的，而是有凹凸不平的紋路。正是通過這種方法來增大摩擦力。如果輪胎表面越粗糙，摩擦力越大，行駛過程中越安全。2、剎車過程中的摩擦力摩擦力對自行車的制動也很關(guān)鍵。如果剎車性能不好，會嚴(yán)重影響到騎車人的行駛安全。自行車能停下來，主要是靠剎車塊與輪胎之間的摩擦。人捏剎車柄，使剎車線帶動剎車塊與輪胎靠緊，產(chǎn)生摩擦力使自行車減速，最終停下來。影響摩擦力大小的因素有壓力大小和接觸面粗糙程度。借助自行車，可以用一個簡易的實(shí)驗(yàn)來證明：以一恒定大小的速度駕駛同一輛自行車，用大小不相同的力捏剎車柄，結(jié)果力越大，自行車制動越快；相同的初速度，停下來越快則加速度越大，即摩擦力越大。說明壓力越大，產(chǎn)生的摩擦力越大。再用新、舊兩輛自行車，在相同的速度下，用相同的力捏剎車柄，結(jié)果新車制動得快。因?yàn)榕f車的剎車塊磨得比較光滑了，所以產(chǎn)生的摩擦力小。這符合壓力相同，接觸面越粗糙，摩擦力越大的結(jié)論。二、減震為了提高自行車的舒適性，自行車上裝上了減震器。自行車上共有3處應(yīng)用到減震：三角架、鞍座、車頭，這幾處都是用彈簧作連結(jié)，如果沒有減震，當(dāng)自行車震動時(shí)，整個車身都會顯得不靈活，人便隨著彈起又落下。而有減震的自行車，在同樣的坑洼路上，由于彈簧具有形變性，使人落下時(shí)與車身接觸的時(shí)間增長，受力變小，提出高了舒適性。好比從高處跳到水泥上，腳會生痛，而在地面上鋪上軟墊后，再從相同高度跳下，人會感覺舒服得多。減震不僅能提高人騎自行車的舒適性，同時(shí)也減少了自行車的磨損。沒有減震的自行車，由于車身不靈活，震動會很劇烈。因此對材料的磨損很大。而裝上減震后，車身變得靈活，而且減小了震動，對材料的磨損大大減小，也就延長了車的壽命。減震在自行車的行駛過程中必不可少。至于減震的應(yīng)用效果，與安裝部位也有關(guān)聯(lián)，當(dāng)然，三角架、鞍座、車頭這三處便是理想之處。因?yàn)檐囶^處對車前身起到了減震作用，鞍座和三角架對整個車身也起到減震作用，這就是比較完整的構(gòu)