理力优秀论文 自行车车轮运动时的力学分析和应用

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图2自行车车轮运动时的力学分析和应用

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学号:10XXXX 专业:车辆工程(轨道交通)

班级:1 任课教师:王斌耀

内容摘要:本文结合了理论力学的一些基本原理,分析了车轮在骑行运动时的受力特点,并考虑了不同车胎在骑行中带来的不同的影响,方便人们在购买自行车时选择所需的自行车胎,以及车胎在生活中的保养方法。

关键词:自行车、车胎、分析、建议

正文

自行车是我们生活中最常见的交通工具之一,其中蕴含着很多的力学原理,车胎作为自行车最重要的部分之一,在我们选择、保养时很有必要了解它的特性。笔者这里主要分析了车胎部分的力学原理。

图1.各种各样的自行车

1.车轮运动时的受力分析

自行车的前轮后轮看似没有什么区别,都是相对于地面作纯滚动,但是它们的受力情况有着根本的区别,后轮作为主动轮,是整个车体的驱动部分,它的受力分析如图2 所示,

后轮在车轴的部分有一个经过传导得到的

来自于人的力偶M1;地面对车轮的力系是

一个平面力系,可以简化为一个力偶M,

以及滚动摩擦力F S,因为摩擦力的方向是与

物体相对运动趋势相反,主动轮动起来时,轮

子最下面一点与地面接触.此点相对于地面

来说是向后运动的,所以地面给后轮的滚动

摩擦力向前,这个滚动摩擦力F S就是推动整

个车向前的动力。

接下来是对前轮进行受力

分析。如图3所示,类似对图1

的分析,由于前轮作为从动轮

图3

图4.一种车胎的花纹本身不会自发运动,因为后轮动了整个车身必然向前动起来(包括不会自发运动的前轮)因为地面不会动,那么前轮相对地面来说向前运动,所以地面给前轮的摩擦力向后,由此,我们可以得到一个向后的滚动摩擦力F S ’,整个车体受到的合力为向前的动力,为

F=F S -F S ’-F K,

其中,F K 为车体在运行过程中所受到的风阻力。由此可见,在相同骑行者、相同路面、相同风力环境的情况下,影响车速的主要原因是车胎所受到的滚动摩擦力,即

F S -F S ’。

当然还有一种情况,当骑行者不再踩踏板的时候,两个轮子都变成了“从动轮”,这时的受力情况和图3一样,整个车体受到的力为与运动方向相反的阻力。 2.影响车轮滚动摩擦力的主要因素

影响滚动摩擦力的主要因素是物体的性质、表面的形状以及滚动物体的重量有关,在这里我们只要考虑前两者即可。

对于车胎与地面的接触而言,影响滚动摩阻的主要因素主要有车胎的宽度、花纹、胎压这三个因素。

一般说来,车胎的胎压越大、宽度越小,轮胎的滚动摩阻就越小,查阅相关资料,可以得到接触面积越大,滚动摩阻就越大,加之平时的生活经验,容易得到宽胎的滚动摩阻比窄胎的滚动摩阻大。再者,胎压越大的车胎,由于压力引起的形变量也越小,减小了接触面积,同时,胎压越高,在路面上车胎的上下震动也越大,也减小了滚动摩阻。影响骑行阻力的因素还包括轮胎外表的花纹结构,

有花纹的轮胎通常具有较大的滚动摩阻。

3.以上结论的应用

在以上的因素的综合考虑下,我们可以得出不同情况下骑行者骑车的阻力。当骑行者骑行时,这时车轮的滚动摩阻是动力,越大越好,能够提高自行车的抓地力,当抓地力不够的时候,自行车的速度会受影响,有时还容易打滑,但是由于后轮的阻力越大,骑行者骑行也越吃力。当骑行者停止用力踩踏板时,滚动摩阻成为阻碍滑行的阻力,这时候滚动摩阻越大,车速越不易保持。

如今市面上有着各种各样的车胎类型,有宽胎也有窄胎,还有不同的花纹,我们要根据自己的需求择其所需。

对于在大城市的人来说,一般骑行的地面都比较平整,车轮摩擦状况也比较好,可以在不需要太大的“抓地力”,因此,这一类消费者可以选购较窄的轮胎,同时花纹也可以选择比较细小的、浅的。这样可以减少骑行时车的阻力和自己的负担。另外,通过减小车胎的宽度还可以减小风阻。

对于一些常常在山地中或者在路况不佳的地面上骑行的人来说,路面通常比较滑或者比较凹凸不平,就应该选择滚动摩阻大的宽胎,以增大“抓地力”。山地骑行本身就讲究安全性和抓地性,同时应该选择一条深胎纹的轮胎以满足碎石跳跃的骑行需求。

在我们平时保养车的时候,应该注意车胎的胎压的调整。我们在生活中有这样的经验,当车胎没气的时候骑车会变得吃力,这是因为车胎与地面接触面变大从而使得阻力变大的缘故,所以我们应当保证车胎中有足够高的胎压,以减小我们骑行时踩踏的阻力。但是胎压也不能太高,打高胎压以后代表的是触地面积会变小,抓地力会降低从而可能造成打滑,路面的颠簸也会变得敏感。

参考文献为

1.百度百科

2.《理论力学》同济大学出版社,2005年版电子邮箱:****************

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