自行车的力学

理论力学研究性实验报告 同济大学

自行车制动系统力学原理分析

代燕

学号：０３３８９２ 专业：土木工程 班级:土木５班 任课教师：徐鉴

摘要：本文是研究自行车制动系统各个组成部分的工作中的力学原理，抽象成杠杆、平面转动刚体等力学模型，进而分析它们的工作原理、受力及运动情况等，以及对自行车制动系统优缺点的分析及改进设想。

关键词：自行车制动装置，力学模型，杠杆，摩擦力

自行车在我国是很普及的代步交通工具。它集物理的力学、热学等知识于一身。制动装置(车闸)在一切运输机械中有着十分重要的作用.刹车不灵而导致的交通事故屡见不鲜，那么自行车是怎样制动的呢？本文就是对自行车制动装置的构造、原理等方面阐明物理知识的研究。

一、自行车构造图及制动装置构造图

自行车制动装置由扳手、拉杆、弧形梁、闸皮、固定夹组成。

二、自行车制动系统原理分析

一）自行车制动系统原理分析

1、扳手

自行车闸的扳手可以抽象成一个杠杆的力学模型，如右图所示。

钢索一端连在杠杆上的B点，另一端连在曲梁上,当人在A端用力时,钢索被拉动。

设人在刹车时用力集中于一点A，刚索拉力集中于B点，O点为转轴,可得力矩平衡方程：

F2*L2-F1*L1=0 --(1)

计算得F2=F1*L1/L2,由于L1>L2，可知F1

2、 曲梁与刹皮

力学模型如右图。曲梁和闸皮看作一整体，钢索对曲梁的拉力作用于点D,设闸皮与车轮间的压力为F3，作用于C点。O3为固定的转轴，可得力矩平衡方程：

F3*L4-F2*L3=0 --(2)

由 (1)(2)计算得

F3=F1*L1*L3/L2/L4

由于L3、L4大小相近，可知F2、F3大小也相近，因此可以推知

F3

即以上由扳手、钢索、曲梁、闸皮等组成的系统是一个省力的装置，人们用很小的力就能使车闸以比较大的压力压到车轮的钢圈上。

3、车闸

龙源期刊网

自行车上的力学知识

作者：虞华鑫

来源：《初中生(二年级)》2005年第01期

自行车在我国是很普及的代步和运载工具。在它的“身上”运用了许多力学知识。

１．测量中的应用

在测量跑道的长度时，可运用自行车。如普通车轮的直径为０．７１米或０．６６米。那么转过一圈长度为直径乘圆周率?，即约２．２３米或２．０７米，然后，让车沿着跑道滚动，记下滚过的圈数ｎ，则跑道长为ｎ×２．２３米或ｎ×２．０７米。

２．力和运动的应用

（１）减小与增大摩擦。

车的前轴、中轴及后轴均采用滚动以减小摩擦。为更进一步减小摩擦，人们常在这些部位加润滑剂。

多处刻有凹凸不平的花纹以增大摩擦。如车的外胎，车把手塑料套、蹬板套、闸把套等。变滚动摩擦为滑动摩擦以增大摩擦，如在刹车时，车轮不再滚动，而在地面上滑动，摩擦大大增加了，故车可迅速停驶。而在刹车的同时，手用力握紧车闸把，增大刹车皮对钢圈的压力以达到制止车轮滚动的目的。

（２）弹簧的减震作用。

车的座垫下安有许多根弹簧，利用它的缓冲作用以减小震动。

３．压强知识的应用

（１）自行车车胎上刻有载重量。如车载过重，则车胎受到压强太大会被压破。

（２）座垫呈马鞍型，它能够增大座垫与人体的接触面积以减小臀部所受压强，使人骑车不易感到疲劳。

４．简单机械知识的应用

自行车制动系统中的车闸把与连杆是一个省力杠杆，可增大对刹车皮的拉力。自行车为了省力或省距离，还使用了轮轴：脚蹬板与链轮牙盘、后轮与飞轮及龙头与转轴等。 龙源期刊网

５．功、机械能的知识运用

（１）根据功的原理：省力必定费距离。因此人们在上坡时，常骑“Ｓ形”路线就是这个道理。

自行车上的力学知识

(一)运动和力的应用

自行车的外胎,车把手塑料套,踏板套,闸把套等处均有凹凸不平的花纹以增大摩擦.刹车时,手用力握紧车闸把,增大刹车皮对车轮钢圈的压力,以达到制止车轮滚动的目的.刹车时,车轮不再滚动,而在地面上滑动,变滚动为滑动后,摩擦大大增加,所以车能够迅速制动.

车的前轴,中轴及后轴均采用滚动轴承以减小摩擦,在这些部件上,人们常常加润滑油进一步减小摩擦.

1.增大和减小摩擦

自行车上的力学知识

车的座垫下安有粗的螺旋状的弹簧,利用它的缓冲作用以减小震动.

2.弹簧的减震作用

自行车上的力学知识

(二)压强知识的应用

自行车的车胎上刻有载重量,明确告诉人们:不能超载,如车载过量,车胎受力面积不变,则车胎受到太大的压强将被压破.

1.自行车负重

2.车座上的物理

座垫呈马鞍型,它能够增大座垫与人体的接触面积以减小臀部所受压强,使人骑车时感到较舒适. 自行车上的力学知识

(三)简单机械知识的应用

自行车制动系统中的车闸把与连杆是一个省力杠杆,可增大刹车皮的拉力.另外,链轮牙盘与脚蹬,后轮与飞轮,车龙头与转轴等都是轮轴,利用它们可以省力.

自行车上的力学知识

(四)功和能的知识运用

1,人们在骑自行车上较陡的坡时,往往走"S"形路线,这是根据功的原理.如图,坡长相当于斜面长,坡高相当于斜面高,根据功的原理:W1=W2,即FL=Gh,亦可写作:,可看出,斜面长L是斜面高h的几倍,所用的力F就是重力G的几分之一,所以,在高度h不变的情况下,斜面越长越省力,走"S"形路线是为了增大斜面长,从而能顺利上坡.

自行车上的力学知识

(四)功和能的知识运用

2,动能和势能的相互转化

骑自行车上坡前,人们往往要加紧蹬几下,使车的速度(动能)增大,"动能冲坡",以较大的动能转化为较大势能,能够较容易到达坡顶.而骑车下坡时,不用脚蹬,车速也越来越快,这是势能转化为动能,动能不断增大,所以车速也不断增大

自行车前后轮的运动原理

自行车是一种常见的交通工具，主要由车架、前后轮、车把、刹车组件等组成。其中，前后轮是自行车最基本的组成部分，承载着骑行者的重量，同时也是自行车进行前进、变向、制动等操作的关键。本文将具体介绍自行车前后轮的运动原理。

一、自行车前轮的运动原理

自行车前轮是自行车主要的方向控制器，通过前轮的转动实现自行车的转向。前轮主要由轮辐、轮毂、车胎、内胎、轴和刹车等组件组成。

1. 轮辐：轮辐是以钢丝为骨架，用钢丝或合金线绕制而成的，可以使轮圈和轮毂之间的力均匀分布，提高前轮的稳定性。

2. 轮毂：轮毂是指前轮中心部分，主要由铝合金或碳纤维制成。轮毂可以固定刹车组件和轮辐，并帮助车轮正确地安装。

3. 车胎和内胎：车胎是与路面接触的部件，可以提供摩擦力，使自行车稳定地行驶在路面上。内胎则是以橡胶为主要材料，充满空气，可以为车胎提供支撑和保护。

4. 轴：轴是连接轮辐和轮毂的部件，通常采用充满润滑油的轴心进行润滑，并通过紧固螺母来支撑和固定前轮。

5. 刹车：刹车是实现自行车制动的基本部件，通过刹车摩擦带或刹车盘实现轮毂的制停。

自行车前轮的运动原理主要包括以下几点：自行车前轮受到骑行者的重力和行驶中的风阻力作用，以一定的速度旋转。骑行者通过转动车把实现对前轮的控制，从而控制自行车的转向方向。当骑行者沿着一条直线行驶时，前轮与路面形成一个稳定的角度，这个角度被称为“前叉角”，可以提高自行车的平衡性和稳定性。此外，前轮还通过刹车带或刹车盘实现制停的功能。

二、自行车后轮的运动原理

自行车后轮是自行车的动力源，是推动自行车前进的关键。后轮主要由轮辐、轮毂、车胎、内胎和飞轮等组件组成。

1. 轮辐：与前轮一样，轮辐也是采用钢丝或合金线制成，可以使车轮的力均匀分布，提高后轮的平衡性。

2. 轮毂：后轮轮毂是自行车的动力传动中心，通常采用轴承滚珠旋转，使得骑行的力量能够传递到车轮上，让自行车前进。