【毕业论文】关于自行车一些小问题的探讨.docVIP

关于自行车以一些小问题的探讨 引言 本学期我们学习了工程力学系开设的理论力学课。通过学习我们蓦然发现，我们生活的周围也有如此多的力学问题。根据“学以致用”的原则，我感到我们应该运用我们所学到的知识进行一些实践性的研究。那么就从我们身边做起吧。 本文打算分析几个与自行车有关的力学问题。谈到自行车，大家再熟悉不过了。清华多的是自行车，几乎达到人手破车一辆的地步。然而我们对它真的那么熟悉吗？我们是否知道在运行中它的稳定性是怎么来的，稳定前行中它的前、后轮受哪几个力，在转弯过程中又受到哪几个力，双手撒把为什么也能骑，也能转弯，为什么可以抬前、后轮，如何抬法，撞车之后会发生什么……我知道关于自行车的力学问题已经有很多人探讨过，网站上有几篇文章来说明关于自行车的几个问题。但作为力学爱好者与自行车爱好者，又耍过十几年车技的笔者，还是很有兴趣从另几个角度来分析几个关于自行车地问题。本文要谈到以下几个问题，分别是：自行车前轮支撑杆设计问题，双手撒把的稳定性与转弯问题，自行车行驶稳定性问题，自行车抬前、后轮的力学分析，最后是撞车分析。 1．自行车前轮支撑杆设计问题 右图是我们日常见到的自行车，如果你仔细观察它的结构，你会发现自行车的前支杆并不是垂直于地面。这并不仅仅是为了好看，这种构造对自行车的稳定及转弯性能有很大的影响。 左图是自行车前轮的结构简图，支杆不与地面垂直。转动支杆，前轮绕支杆作定轴转动，轮与地面的接触点就会由A点移动到B点。此时车轮平面不再与地面垂直，而是有一定夹角，则自行车的整体重心就会降低。当自行车左侧倾时，由于前轮受到重力的作用，对支杆产生一个力矩，使前轮支杆向左旋转，这时B点左移，自行车的支撑面也相应左移，如下图所示。右转时类似。在自行车行驶过程中，人可以通过转动车把来移动自行车的支撑面，从而使自行车与人的重心始终保持稳定在支撑面上，起到稳定的作用。所以人骑车时遇到车体摇晃，总是通过转动车把改变支撑面，同时移动自身的重心，使整体重心保持在支撑面上，保持平衡。 左上图是1818年，德国的德赖斯发明木制、带车把的两轮自行车,靠双脚蹬地行驶。这是人类的首辆自行车，它的前后支杆是与水平面垂直的，就很难保持平稳。当然由于它是通过脚蹬地形式，稳定性能也不会要求太高。 2．双手撒把问题 我们可以见到，在骑车时即使没有扶车把，同样可以保持平稳的骑车状态。这是为什么呢？ 在撒把的时候，人可以通过移动重心来保持平衡。这与上面讲的自行车支杆有很大关联。当自行车受到微小扰动，比如是车的重心移动到左侧，自行车左倾，当然由于车轮迅速滚动的角动量，起初这左倾是很慢的。因为上述原因，左倾时，前支杆左转，向左移动支撑面，进一步减缓左倾时间。而人的臀部与腿部确能感觉出这种倾斜。人此时有充分的时间将重心移到右侧，使自行车向右偏回。 双手撒把转弯的原理与此类似。不同的是，人的重心要向转弯方相略偏，此时自行车向转弯方向侧倾，同时自行车前支杆自动向转弯方向偏转。保持重心稳定，则自行车达到转弯的平衡状态。 3．自行车行驶稳定问题 两个轮子的自行车的支撑面近乎是一条直线，在自行车静止的情况下，自行车很难保持平衡，故自行车停放是总会加一个脚撑，形成三角形的支撑面。下面分析其原因。 自行车静止时，若受到轻微的扰动，轮子侧倾，如右图，相对于地接触点，轮子受到重力的力矩。 由于M＝x×mg ，轮会绕接触点旋转，从而倾倒。 当自行车行驶时，轮子在转动，其相对于质心的动量矩为L，方向如图。则可视其为陀螺问题。设L的与地面的交角为θ，轮子发生进动，进动角速度。即轮子开始绕y轴旋转。车轮的转速越快，则角动量L越大，进动角速度越小，则产生的沿y方向的角动量越小，轮子的章动也越小，不容易倒下。事实上，在自行车系统中，由于是两个轮子连在一起，受到车架的约束，并且θ角很小，并不能完按这种模型讨论。但对每个轮子在侧倾的过程中会产生进动却是毫无疑问的。所以当自行车行驶时车子受到扰动而倾斜并不会立刻引起车子的侧翻，而是会使车子转弯，这样人就有足够的时间来调整车子支撑面和重心，保持平稳。 4．自行车抬前、后轮力学分析 这个问题可能比较新颖，大多数的骑车人不会去想到去抬自行车的前轮，而会抬自行车后轮的人更是凤毛麟角。结合本人对此的实践，我对此进行简要的分析。 左图是抬前轮的受力分析图。此时人把重心移到车的后部，即靠近后轮车轴，腿部与手臂伸直，手紧抓车把。俯身，迅速抬起身体，双手猛拉车把。此时给予车把一个瞬时冲量，瞬时力为F，很大。设脚蹬的力为f，人车共重为P。 对后轮轴心求力矩： M＝r1×F－r2×f－r3×P0 外力的冲量矩改变车体角动量，使车绕后轮轴旋转。故自行车的前轮被抬起来了。但由于F作用的时间很短，而f与P始终作用，故前轮很快就会恢复着地的状态。 抬后轮与抬前轮类似，只不过此时人身体前倾，脚蹬