理力优秀论文 自行车车轮运动时的力学分析和应用

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：****************