自行车设计中力学知识的运用

自行车设计中力学知识的运用

曹静文

关键词：自行车设计；力学知识；应用

中图分类号：G632.3文献标识码：A

1引言

自行车是一种受到大众喜爱的交通工具，具有方便快捷且绿色环保的特性，在骑行过程中受到城市道路交通情况的制约性较小，同时还能满足现代人运动健身的需求[1]。自行车的设计力求满足使用者骑行过程中的舒适感，在保证行驶速度和平稳性的前提下，使骑行者更加省力，因此在设计时许多细节方面广泛应用了力学知识[2,3]。这些力学知识有许多就是高中物理课本中提到过的，从这些设计细节中发掘出应用到的力学知识，能使物理学习的知识面得到扩展。本文从几个自行车零部件的设计角度出发，对这些设计中涉及到的摩擦力、杠杆和运动力学知识的应用进行了详尽的阐述。

2自行车设计中摩擦力的应用

首先我们先对自行车在行驶过程中的受力进行分析，自行车的主动轮为后轮，图1为自行车后轮的受力分析，设自行车以速度V向左行驶，除了自行车和骑行者自身的重力G和地面对其的支持力Fn外，后轮在人力作用下逆时针旋转，人力产生的力矩为M，车轮与地面因为存在向后的运动趋势，因此产生向前的摩擦力F，力矩为顺时针的M’。可以看出来，向前的摩擦力是自行车向前行驶的驱动力，因此如何增大摩擦力是自行车设计中的一个重要环节。图2为自行车车胎上花纹的设计图案，车胎花纹不仅是为了美观，更是为了增加车胎表面的粗糙程度。根据摩擦力产生的条件，如果接触面的粗糙度增加，那么相应的摩擦力也会有所增大。

在自行车零部件的设计过程中，有些地方需要减小摩擦力，例如轴承的设计就需要将摩擦力减至最小。自行车上采用的所有轴承都被设计为滚珠型的轴承，因为滚动摩擦要远小于滑动摩擦；同时还要向这些轴承中加入润滑油，这是利用减小接触面粗糙度的原理使得摩擦力减小。

3自行车设计中杠杆力的应用

自行车车把的设计中采用了省力杠杆的原理，车把具有转向的功能，根据杠杆原理，即动力×动力臂=阻力×阻力臂，动力臂越大，所需要的动力就越小。在车把设计中要在满足骑行者骑行舒适感的前提下，将车把尽量设计的宽一些，如图3所示，一般来说设计车把的宽度要与人类双肩的宽度相近，如果车把宽度不够，转弯时骑行者会觉着非常吃力，相反如果过宽，骑行时舒适感会受到影响。

除了车把外，刹车系统也采用了省力杠杆的原理，车闸的把手相当于动力臂，减速时骑行者通过把手施加外力，通过钢丝传导值刹车胶皮，通过这种省力杠杆的设计，在需要自行车减速时只需要很小的外力就可以达到刹车的目的。

4自行车设计中运动力学的应用

越来越多的自行车中采用了变速器，用以满足消费者的需求。变速器的结构包括与脚蹬构成轮轴的牙盘和与后轮组成另外一组轮轴的飞轮，如图4所示。脚蹬做半径为R1的圆周运动，与脚蹬相连的为半径为r1的牙盘，牙盘通过链条与半径为r2的飞轮相连，与飞轮同轴的后轮半径为R2。人施加的力为F1，牙盘受到的力为F2，飞轮受力为F3，后轮受到的摩擦力力为F4。对两组轮轴应用杠杆平衡条件，可以得出F1R1=F2r1，F3r2=F4R2。牙盘和飞轮由链条相连，那么F2=F3，那么利用上述三个等式可以获得式1所示的关系：

在自行车和人的总重以及路况条件不变的情况下，F4为固定值，另外，式1中R1和R2也是固定不变的，那么改变r1/r2的值就会对人对脚蹬施加的力产生影响，r1越小，r2越大，F就越小，也就是说人在骑行时更加省力。可以看出运用简单的力学知识可以很容易明确变速器的设计原理。

5结束语

综上所述，在自行车这种常见的交通工具的设计中存在众多力学知识的应用。我们通过学习掌握了书本上的物理学知识后，还要善于发现这些知识在实际生活中的应用，这种做到学以致用，不断开拓自己的知识面。

参考文献

[1]刘彬生.有关自行车的力学、机械学和社会学[J].教育与装备研究,2002,3:3-5.

[2]宋宜忠.自行车上的力学知识[J].物理教学探讨,2005,23(12):32-33.

[3]蔡睿,刘智,等.公路自行车的动力学分析及仿真研究[J].中国体育科技,2014,50(1):125-128.