自行车原理.docVIP

自行车原理 自行车的原理是通过人的脚对脚蹬施加力，从而通过曲柄带动链轮的转动，链轮又通过链条带动飞轮的转动，飞轮进而后轮转动。由于后轮与地面的摩擦力，使得后轮与地面不会相对滑动，而后轮在地面上滚动，整个车子就运动起来了。 通过对自行车的仔细的受力与动力学分析，可以发现，对于自行车来说，匀速运动是不存在的。就拿前轮来分析，由于轮子的对称性，前轮的质心在它的中心，而在运动中，自行车前轮必然会受到地面的阻力，这个力不过前轮的中心，也就是不过前轮的质心，而车架通过前轴对前轮的力必然会过质心，这样一来，前论受到的合外力矩必然不会为0，前轮不会匀速的转动。骑自行车的时候，脚也不是一直都在用力蹬脚蹬，当脚用力蹬脚蹬时，车子就会加速，当不太用力时，车子又会减速，实际的骑自行车的过程就是交替地加速减速。 自行车中的各个轮子尺寸不是随意的，除了从美观的角度考虑，还要受到物理规律的制约。现在从物理学的角度对自行车中的各个轮子尺寸作出分析。 假设脚蹬到中轴的距离为R1，链轮的半径为R2，飞轮的半径R3，后轮的半径为R4。脚蹬，曲柄，链轮的整体转动惯量为I1，飞轮，后轮的整体转动惯量I2。定义自行车速率与脚蹬速率的比值为速率效率。假设脚蹬的速率为V0 由脚蹬与链轮的角速度必须相等，飞轮与后轮的角速度必须相等，链轮与飞轮的苏联相等可以推出车子的速度V=V0*R2R4/R1R3 [1] 再假设地面给后轮的摩擦力为f，链条给后轮的作用力为f‘，人蹬脚蹬的力F。后轮的角加速度为B，前轮的角加速度为B‘ B*R3=B‘*R2 对脚蹬，曲柄，链轮的整体， FR1- f‘R2=I1B’ 对飞轮，后轮的整体， f‘R3- f R4=I2B 解得；F= f*R2R4/R1R3+I1BR3/R1R2+I2BR2/R1R3 我们可以把它分成几个部分来考虑，克服地面摩擦的力f*R2R4/R1R3，克服脚蹬，曲柄，链轮的转动惯量的力I1BR3/R1R2，克服飞轮，后轮的转动惯量的力I2BR2/R1R3。 现利用控制变量的思路对自行车中的各个轮子尺寸进行讨论。 当其他量一定时，R1越大，克服地面摩擦的力和克服飞轮，后轮的转动惯量的力越小，但是速率效率就越小[即脚蹬的速率一定时，自行车的速率越小]，而且R1越大时，I1就会越大，克服脚蹬，曲柄，链轮的转动惯量的力不一定会变小。 当其他量一定时，R2越大，速率效率就越大，克服脚蹬，曲柄，链轮的转动惯量的力越小，但是克服地面摩擦的力和克服飞轮，后轮的转动惯量的力就会越大。 当其他量一定时，R3越大，克服地面摩擦的力和克服飞轮，后轮的转动惯量的力就会越小，但是速率效率就越小，克服脚蹬，曲柄，链轮的转动惯量的力越大。 当其他量一定时，R4越大，速率效率就越大，但是克服地面摩擦的力越大。 综上所述，自行车中的各个轮子尺寸除了从美观的角度考虑，还要受到物理规律的制约。