自行车原理

高一五班五组自行车问题报告

自行车包含许多物理知识，下面我们总结一下

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F ω，所以自行车的行驶方程为Ft =Ff+F ω。它的驱动条件是Ft ≥Ff+F ω。同时，车要有效前进还必须满足附着条件Ft ≤F ψ，F ψ=G ψ，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

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，V

V 21

=，而小齿轮和后轮

之间通过轮轴相连，他们的角速度

ωω3

2

=则由ωR V =，设后轮沿速度为V

3

，则

ωωR R V

V 2

32

3=

=R

R 2

3

我们通过进一步研究可知人踩踏板速度V 和后轮转动速度V

3

之间关系，踏板和大齿轮盘同

轴，则

R

V

R

V

1

1

=

V

V 21

=

则

V

R

R

V 2

1

=

由R

R V

V 2

32

3= 故

R

R R V

R V

3

1

2

3

=

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。

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。

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。

风级表

四、压强原理

(1)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。

(5)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。若车速快或车子轻，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，人有甩出去的危险。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。

一些新颖问题的解答：

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

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。

三、自行车辐丝的作用？

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。