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自行车力学研究
内容摘要:
本文通过对平日里生活中最常见的交通工具自行车的观察,通过公式推导,对其行进运动和传动方式进行了理论力学方面的分析。
正文:
自行车,又称脚踏车或单车,通常是二轮的小型陆上车辆。人骑上车后,以脚踩踏板为动力,是绿色环保的交通工具。自行车是人类发明的最成功的一种人力机械,是由许多简单机械组成的复杂机械。
1791年,一位名叫西夫拉克的法国人最先创造出了现代自行车的原型“木马轮”,虽然它没有驱动装置也没有转向装置,骑车人靠双脚用力蹬地前行,改变方向时也只能下车搬动车子。经过近一百年的发展,在1874年诞生了真正具有现代形式的自行车。英国人罗松在这一年里,别出心裁地在自行车上装上了链条和链轮,用后轮的转动来推动车子前进。又经过不断地发展、改进,才逐渐演变出了现在随处可见的自行车型。
在本文中涉及的几个重要的自行车概念:
1)、传动装置:包括主动齿轮(轮盘)、被动齿轮(飞轮)、链条及变速器。
2)、齿轮比:主动齿轮(轮盘)与被动齿轮(飞轮)的齿数之比。
3)、传动比:齿轮比乘以后轮的直径。
4)、传动行程:传动比再乘以圆周率即为传动行程,即每蹬踏一周单车前进的距离。
自行车上的力学原理
自行车作为一种复杂机械,其涉及很多理论力学方面的原理,如:
减小与增大摩擦
车的前轴,中轴及后轴均采用滚动轴承以减小摩擦。为更进一步减小摩擦,人们常在这些部位加润滑剂。多车身多处刻有凹凸不平的花纹以增大摩擦,如车把、脚踏板。而在刹车的同时,手用力握紧闸把,增大刹车皮对钢圈的压力以达到制止车轮滚动的目的。
弹簧的减振作用
车的坐垫下安有许多根弹簧,利用它的缓冲作用以减小振动。
压强知识的运用
坐垫呈马鞍形,它能够增大坐垫与人体的接触面积以减小臀部所受压强,使人骑车不易感到疲劳。
简单机械知识的运用
自行车制动系统中的车闸把与连杆是一个省力杠杆,可增大对刹车皮的拉力。自行车为了省力或省距离,还使用了轮轴:脚踏板与链轮牙盘;后轮与飞轮及龙头与转轴等。
运动与传动原理
接下来,笔者就要以其自行车大行sp8为例,对自行车的运动和传动进行一个浅析。
自行车运动是一种半机械化运动。人们应掌握一定的机械原理和力学知识,有效地利用传动速比,合理掌握运动强度,巧妙节省体能消耗,从而以充沛的体力,达到高效的运动。
自行车是传动式机械,它的传动装置包括主动齿轮、被动齿轮、链条及变速器等。齿轮比与传动比关系着自行车的使用效率。后轮运转实质在于:在链条传动下的飞轮带动后轮转动,飞轮与后轮具有相同的角速度,而后轮半径远大于齿轮半径,由线速度增大,提高了车速。如果两个齿轮的齿数相同,那么踏蹬一周,两个齿轮和后轮都各旋转一周。假如主动齿 轮的齿数大于被动齿轮的齿数,那么每踏蹬一周,被动齿轮转的圈数就大于一周多,速度加大。因此,齿轮比与主动轮的齿数成正比,与被动齿轮的齿数成反比。以g代表齿轮比,c代表主动齿轮的齿数,f代表被动齿轮的齿数,它们之间的关系用公式表示,即:g=c/f。
例如:大行sp8传动与变速系统配置中,牙盘为53齿,飞轮有八级变速,为11—32齿,则可以算出最大齿比gmax=53÷11=4.818,最小齿比gmin=53÷
大小齿轮之间用链条相连,则大小齿轮盘沿线速度大小相同,V1=V2,而小齿轮和后轮之间通过轮轴相连,他们的角速度相同ω1=
笔者通过进一步计算可知人踩踏板的速度和后轮转动速度V3
V
V
V
又因为V
所以
齿轮比乘以后圈直径即为传动比。以d代表传动比,b代表后圈直径,它们之间关系用公式表示,即:d=c/f×b=gb
由此可见,齿轮比确定之后,传动比是与后圈直径成正比的。后圈越大,传动比越大。
例如,在大行sp8的后圈直径为20寸(自行车轮圈直径习惯用寸表示),约为0.67m。代入公式:
dmax=
dmin=
每踏蹬一周,车子向前运动的距离则为传动行程,也叫速比行程。其计算方法是传动比乘以圆周率。以m代表传动行程,π代表圆周率(此为常数,取π=3.14),它们之间关系用公式来表示,即:m=d×π
所以大行sp8的传动行程:
m
m
因为变速自行车的齿轮比可变,所以其传动行程也可变。当在顺风、下坡时,可使用大齿轮比,达到大的传动行程,便于加快车速;当在逆风、上坡时,可调节至较小齿轮比,减小传动行程,从而达到省力的效果。
随着人类科技的发展,越来越多的新技术、新方法被用到了自行车制造中,如变速装置的出现,轻便的碳化车身的使用等。随着科技的发展,总有一些过时的机械设计会被淘汰。但是作为人类所发明的最成功的人类机械之一的自行车,也一定会在不断进步的世界中,留有它不可或缺的一席之地。
参考文献:
[1].百度百科.自行车[OL]. /view/6328.htm
一、 摩擦
1、启动过程中的摩擦力在链条驱动下,后轮胎逆时针转动时,轮
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