自行车原理

二、为什么自行车不装ABS？


“ABS”中文译为“防锁死刹车系统”.它是一种具有防滑、防 锁死等优点的汽车安全控制系统. 在遭遇紧急情况时，未安 装ABS系统的车辆来不及分段缓刹只能立刻踩死。由于车辆 冲刺惯性，瞬间可能发生侧滑、行驶轨迹偏移与车身方向不 受控制等危险状况！而装有ABS系统的车辆在车轮即将达到 抱死临界点时，刹车在一秒内可作用60至120次，相当于不 停地刹车、放松，即相似于机械自动化的“点刹”动作。从 微观上分析，在轮胎从滚动变为滑动的临界点时轮胎与地面 的摩擦力达到最大。此举可避免紧急刹车时方向失控与车轮 侧滑，同时加大轮胎摩擦力，使刹车效率达到90％以上。那 么，为什么自行车不装ABS呢？ 我们分析原因如下：⑴自行车速度较小，质量小，刹车制动 力好，容易控制，不易侧滑⑵自行车的后轮的V型刹能做到 ABS的点刹效果⑶ABS的价格高⑷ABS的质量大。
五、如何骑车省力？

当自行车在平坦的路面上沿直线匀速前进时，根据 行驶方程式Ft=Ff+Fω，驱动力应与行驶阻力相等， 则骑车人蹬踏板的力F应保持不变。但用前脚掌蹬 车时感觉比用后脚跟蹬车费力。这是什么原因呢？
原来，骑车时上半身基本保持不变，只有脚和腿在周而复始地运 动。如图2（a），当用前脚掌蹬踏板时，脚以踝关节为支点摆动 c设静坐标系固定在大链轮中心O处，动坐标系固定在踏板轴中 心口处，则相对运动是脚的摆动，牵连运动是踏板相对大链轮作 圆周运动。此时小腿肌肉收缩做功，大腿仅以较小幅的动作上下 随动。而用脚后跟蹬踏板时，力的作用线沿小腿过膝关节，如图 2（b）所示。设坐标系位置不变，牵连运动仍为圆周运动，但相 对运动变为大腿绕髋关节摆动。此时，大腿上肌肉群收缩做功， 大腿运动幅度较大。因为肌肉产生的力与肌肉的生理横截面积成 正比，相比之下，大腿肌肉的生理横截面积远比小腿肌肉大，所 以产生的力也大。若用相同的力F蹬踏板，当然用脚后跟蹬车感 觉就轻松多了。当骑车遇到上坡或顶风时因增加了上坡阻力和空 气阻力，这时用脚跟蹬车同时压低用力侧上身，可产生较大的爆 发驱动力。路况较好或顺风时，用前脚掌蹬车因大腿运动幅度小， 脚以踝关节为支点摆动，力臂短小，可提高转速而达到较高车速。
四、压强原理
一般情况下，充足气的自行车轮胎着地面积
大约为S=2×10cm×5cm=100cm2，当一普 通的成年人骑自行车前进时，自行车对地面 的压力大约为F=(500N+150N)=650N，可以 计算出自行车对地面的压强为6.5×104Pa。 自行车的车座做得扁而平，来增大受力面积， 以减小它对身体的压强。
五、刹车原理



经常骑车的人会遇到各种情况。当需要紧急刹车时，如刹车 前闸，身体会受到猛烈的冲击。若车速快或车予轻，自行车 还可能猛甩一下，甚至发生打横等危险情况。而刹后闸则比 较平稳，震动不大，这也有其力学原理。 由于原式难以理解，故隐去解答步骤。 刹前闸时，原式中有分母有可能为零，从而前轮胎摩擦阻力 趋于无穷大，所以骑车人可以感觉到猛烈的冲击。这意味着 后轮不着地，整个系统以前轮胎着地点为支点转动，则车打 横甩尾，人有校甩出去危险。从原式可看出设计自行车都是 两轮间距较大，座垫高度不高，且座垫靠近后轮，这样的设 计是合理的。 刹后闸时，原式中前后轮胎摩擦阻力不可能为零，则前轮胎 阻力为一有限值，所以骑车感觉比较平稳。
传动比（传动系数）：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。 例如：轮盘为49齿，飞轮为14齿，后圈直径为27寸（一般习 惯用英寸），代人公式即可求出传动比： d=c/f×b=49/14×27 = 3.5×27＝ 94.5 传动行程: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，π＝3．14），它 们之间关系用公式来表示。即 m=c/f×b×π 例如，赛车轮盘为49齿，飞轮为14齿,后轮真径为27寸,求 它行程距离时,代人公 式： m=c/f×b×π=49/14×27×3.14×2.54 =754CM
三、空气阻力原理
车子向前进,必须借助于一定的力量。人每踏蹬 一周的力量，叫前进力，也叫向前推力。前进力与 用力、传动比、曲柄（即中轴到脚蹬的连杆）长有 关。以Y代表前进力，Q代表踏蹬力量，I代表曲柄 长度，D代表传动比，它们之间的关系用公式表示 则为 Y＝Q×I/D 前进力（Y）与踏蹬力量（Q），曲柄长度（I）成 正比,与传动系数（D）则成反比。
四、为什么自行车的链条会带动后轮转动， 而后轮不会带动链条转动？


当向前踏动脚踏时，链条带动飞轮向前转动，这时飞轮内齿 和千斤相含，飞轮的转动力通过千斤传到芯子，芯子带动后 轴和后轮转动，自行车就前进了。当停止踏动脚踏板时，链 条和外套都不旋转，但后轮在惯性作用下仍然带动芯子和千 斤向前转动，这时飞轮内齿产生相对滑动，由此将芯子压缩 到芯子的槽口内，千斤又压缩了千斤簧。当千斤齿顶滑到飞 轮内齿顶端时，千斤簧被压缩得最多，再稍微向前滑一点， 千斤被千斤簧弹到齿根上，发出“嗒嗒”的声响。芯子转动 加快，千斤也很快在各个飞轮内齿上滑动，发出“嗒嗒”的 声音。当反向踏动脚踏时，外套反向转动，会加速千斤的滑 动，使“嗒嗒”声响得更急促。 所以，链条正常转动会带动飞轮，而链条反方向转动不会带 动飞轮，飞轮的转动不会带动链条。

人们骑车向前进时，必须突破空气阻力，这就需要 力量。不同风级所产生的风速，和垂直风向每平方米所 受到的压力均不相同，只有克服这些因素，车子才能向 前行驶。如：无风骑行时受风面积为0.5平方米，自行 车前进速度为每小时40公里，空气对人们的压力为5.5 公斤力。因此，人们必须用大于5.5公斤的前进力才能 使车子前进。当运动员以自己全部体重在踏蹬点上，那 么所产生的前进力是多大呢（暂不计算车子摩擦部分所 消耗的力量）？例如：一运动员体重70公斤，自行车曲 柄长度7寸，传动比为94.5，所产生的前进力是： Y=Q×I/D=70×7/94.5=5.19公斤。前进力是5.19公斤 力，遇到六级风的阻力是0.5平方米为5.5公斤，运动员 使用全部力量车子前进力才有5.19公斤/0.5平方米 ， 仍小于六级风的阻力。所以，在六级风的情况下运用 94.5的传动系数的运动员是很难骑车前进的。就必须改 变传动系数。
三、自行车辐丝为什么是网状结构？
一个车轮上共有３６根辐丝，构成一个网状结构，当 给轮胎施加竖直向下的压力时，车竖直方向上的上 下各六根辐丝受到压力，而水平方向上的辐丝也受 力。做实验可知，当用力压轮胎时，轮胎几乎没有 变形，而抽去轮胎水平方向两侧的辐丝，再用力压 轮胎，轮胎在竖直方向会被压扁。因此自行车的轮 胎选用了辐丝交叉的方法，使整个车轮稳固，可分 散受力，避免因巨大外力导致车轮扭曲变形。
物理研究性学习报告会
高一五班制作
自行车前进原理
本报告会要点： 自行车行驶原理 传动原理 空气阻力原理 压强原理 刹车原理 一些问题的解答
原理
一、自行车行驶原理


自行车为后轮驱动，骑车人脚蹬踏板在后轮上产生力矩M。 在M的作用下产生一车轮对地面的圆周力Fo，而地面对车轮 的反作用力Ft即为驱动力，Ft＝ M／R，R为车轮半径，如 图所示。 车子在水平道路上等速前进时，必须克服滚动阻力Ff和空气 阻力Fω，所以自行车的行驶方程为Ft=Ff+Fω。它的驱动条 件是Ft≥Ff+Fω。同时，车要有效前进还必须满足附着条件 Ft≤Fψ，Fψ=Gψ，ψ为附着系数。一般自行车的设计都采用 后轮驱动，从行驶条件看是合理的。因为人车系统质心的位 置偏于后侧，则后轮承受较大的荷载能产生比较大的附着力， 有利于满足附着条件。
二、传动原理
齿轮比:主动轮对被动轮的齿数之比为齿轮比。 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：赛车轮盘为49齿，飞轮为14齿，即可求出齿轮比为: g=c/f=49/14=3.5 也就是说蹬踏轮盘一周，飞轮转三周半。
一些问题的解答
自行车行驶时不倒的原因？
为什么自行车不装ABS？
பைடு நூலகம்
自行车辐丝为什么是网状结构？
为什么自行车的链条会带动后轮转动， 而后轮不会带动链条转动？
如何骑车省力？
一、自行车行驶时不倒的原因？
凡是高速转动的物体，都有一种能保持转动 轴方向不变的能力，使它们不向两侧倒。陀 螺能够不倒也是这个道理。我们骑车时是在 前进的方向上给自行车一个力，使车轮转动 起来，车轮就能保持一定的平衡状态，再利 用车把调节一下平衡，自行车就可以往前走 了。可是一停下来，车子就会因失去平衡倒 下来