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中科大火灾实验室考研复习资料2
谢启源
火灾科学国家重点实验室
案例1
自行车设计
人一自行车系统
组成自行车的功能是供人骑行,就发挥自行车
的功能作用而言,把人看作自行车的组成部分
是完全合理的。因此,人在骑车时组成了“人
一车系统”,该人一车系统中的人一车界面关
系可由下图来进行分析。
人一自行车系统:人与支排部件关系
支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等,
是自行车的构架。支撑部分将其他零部件固定
在相互间正确的位置上,保证自行车的整体性,
实现自行车的功能。
从人机关系来看,鞍座、车把和车架等的位置
和大小,以及它们间的相互关系,与骑车人的
位置和肌肉的动作有着紧密关系。
人一自行车系统:人与动力接受部件关系
动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力是靠骑
车人的双脚踩在脚蹬上,下肢运动的力使曲柄
转动而产生的。为了使人省力和有舒适感,必
须在骑自行车人的体格和体力与自行车元件的
尺寸关系上下功夫,即研究人体下肢肌肉的收
缩运动与曲柄转动之间的能量转换问题。
人一自行车系统:人与传动部件关系
传动部件主要是滚珠、链条和链轮。人的作用
力是通过链条和链轮传动而带动后轮转动,从
而使自行车前移。
传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和
可靠性,且有易操纵的变速机构。保证较高的
传动效率,才能使人用一定的肌力而获得较大
的输出功率。
人一自行车系统:人与工作部件关系
工作部件就是车轮,即车圈、轮胎等。绝大部分
轮胎是充气的,少数是实心的。车轮一方面把骑
车人的肌肉力量,有效地转换为同地面接触而向
前运动的力;另一方面将骑车人的握力转换为与
接地部分所产生的刹车阻力。
在设计自行车的各部分尺寸、车闸及变速器等时,
应该着眼于“骑车人一动力一传动一工作”的连
贯性,才可能设计出同骑车人手的大小或握力相
适应的闸把、刹车力适当的车闸,才不会发生刹
车阻力不够而造成失误现象。
影响自行车性能的人体因素
(1)人的体格因素。
以身高 H 为基本因素,其他身体的能力与 H
2 3
成比例,并有与H 、 H 成比例的特性。如手臂、
腿、气管等的长度与身高成比例,从而以骨关
节为中心所产生的力矩、步幅等,都取决于H的
大小。肌肉、大动脉、骨骼的截面积以及肺泡
2
的表面积等都可看成与H 成比例。
影响自行车性能的人体因素
(1)人的体格因素。
体格对出力性能的影响,从理论上讲,弹跳能
2
力与H成比例,速度能力与 H 成比例,作功能
力和H3成比例。但实际上因每个人身体素质不
同,常有20%以上的偏差。
影响自行车性能的人体因素
(2)人的下肢肌力
自行车骑行的原动力,主要是骑车人的下肢肌
力。人骑车时,骨骼肌肉内部的化学能转换为
肌肉收缩的机械能。自行车脚蹬的转动就是通
过腿肌收缩出力而完成的,一般说腿肌长的人
比腿肌短的人有利。肌肉收缩时产生的力,一
般与肌肉的截面积成比例,约为每平方厘米40-
-50N ,通过一定训练的人可提高到65N 。
影响自行车性能的人体因素
(3)人的输出功率
人输出的功率随着骑车人的体格、体力、骑车
姿势、持续时间和速比等的变化而变化。一般
成年男人的最大输出功率约为 0.7 马力
(0.51 kw ) ,能持续 10s左右。如果持续时
间长,其值要小得多,持续lh ,大约只有
0.1-0.2马力(0.07-0.15kw)。
影响自行车性能的人体因素
(4)人的脚踏速度
自行车运动是很有节奏的,其节奏常常与人的
心脏节律保持一定关系。健康人的心脏跳动为
70 次/min ,一般脚踏以
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