案例分析自行车

大学物理素质教育——案例分析自行车上的物理知识许磊（黑龙江科技大学，材料科学与工程学院，金属12-2班，2012027744）【案例概述】自行车是我们日常生活中随处可见的最简单交通工具，然而在它身上却处处有着物理学知识的运用，我们骑在自行车上时，由于人和自行车对地面有压力，轮胎和地面之间不光滑，因此自行车与路面之间有摩擦，自行车为何能前进？这是依靠后轮与地面之间的摩擦而产生的，这个摩擦力的方向是向前的，前轮的摩擦力其方向与自行车前进方向相反。正是这两个力大小相等，方向相反，所以自行车作匀速运动。而车轴承中的钢珠是用来减小摩擦的，杠杆只是：控制前轮转向的杠杆：自行车的车把，是省力杠杆，人们用很小的力就能转动自行车前轮，来控制自行车的运动方向和自行车的平衡，以及车闸的刹车杠杆，也是省力杠杆。自行车上的气压知识。自行车内胎充气：早期的各种轮子都是木轮、铁轮，颠簸不已。现代自行车使用充气内胎主要是使胎内的压强增大，可以起到缓冲的作用，同时可以减小自行车前进的阻力。气门芯的作用：充气内胎上的气门芯，起着单向阀门的作用，只让气体进入，不让气体外漏，方便进气，保证充气内胎的密封。自行车上光学知识：自行车上的红色尾灯，不能自行发光，但是到了晚上却可以提醒司机注意，因为自行车的尾灯是由很多蜂窝状的“小室”构成的，而每一个“小室”是由三个约成90度的反射面组成的。这样在晚上时，当后面汽车的灯光射到自行车尾灯上，就会产生反射光，由于红色醒目，就可以引起司机的注意。【相关物理学知识点】知识点1：力与运动的运用；知识点2：压强知识；知识点3:机械知识；知识点4：光学知识【相关物理学原理】1摩擦力等值反向原理：骑上自行车用力蹬脚蹬,让自行车加速前进,这时急刹车.这两个步骤中利用的主要是力学的摩擦力.自行车前进过程中,轮胎与地面产生摩擦,使自行车不会倒.急刹车时,闸皮与车圈之间产生摩擦力使自行车停下来.再深入说一下,自行车的设计与摩擦力间的关系.闸皮和车胎上为什么有许多胎纹呢?为什么车胎越宽车越不容易打滑?为什么赛车(自行车)的车胎较窄些呢?这些问题的根源就是闸皮和车胎上的胎纹.正是因为这些胎纹使车闸和车胎的摩擦力加大,避免了车闸与车胎的平面与平面接触.而多胎纹的车胎就不一样了,车胎面成凹凸不平状,他与地面接触时不规则的,所以他与地面的摩擦力较大.而车胎越宽车越不爱打滑是因为胎的面积大了与地面的接触大了他们之间的摩擦力大了所以轮胎宽了车越不爱打滑.最后是赛车的问题,和上题相反,它与地大学物理素质教育——案例分析面的摩擦力小了速度上的阻碍也小了,赛车的速度相对快些,所以赛车的车胎要窄些好.还有,关于车把上的把套,脚蹬上的皮橡胶……都是有关摩擦力学知识.摩擦力的应用在生活中也很广泛的.。2机械知识：轮轴自行车上的杠杆、轮轴（1）自行车上的杠杆•控制前轮转向的杠杆：自行车的车把，是省力杠杆，人们用很小的力就能转动自行车前轮，来控制自行车的运动方向和自行车的平衡•控制刹车闸的杠杆：车把上的闸把是省力杠杆，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•支持人重和货重的杠杆、三角杠、货架、前叉、后三角杠，都是广义的杠杆，用以形成车身和承重（2）自行车上的轮轴•中轴上的脚蹬和花盘齿轮：组成省力轮轴，由脚蹬半径大于花盘齿轮半径•自行车手把与前叉轴：组成省力轮轴，手握把外的半径大于前叉轴的半径•后轴上的齿轮和后轮：组成费力轮轴、齿轮半径小于后轮半径•自行车行驶速度与车轮直径的关系：常见的自行车轮的直径有559mm(22英寸)、610mm(24英寸)、660mm(26英寸)、711mm(28英寸)的，有实际经验的同学知道，骑28车比24车费力一些，但速度快，因为28车轮的半径大，轮子每转一圈走的距离长一些，故速度快，半径大使轮轴的轴半径大，故费力轮轴更费力。（3）自行车传动自行车是传动式机械，它的传动装置包括：主动齿轮（通称轮盘）、被动齿轮（通称飞轮）、链条及变速器等。齿轮比与传动比关系着自行车的使用效率，教练员和运动员应该懂得并掌握这些数据的计算与应用。齿轮比:主动轮对被动轮的齿数之比为齿轮比。如果两个齿轮的齿数相同，那末踏蹬一周。两个齿轮和后轮都各旋转一周。假如主动齿轮的齿数大于被动齿轮的齿数，那么每踏蹬一周，被动齿轮转的圈数就大于一周多，速度加大。因此，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，代入公式即可求出齿轮比为:g=c/f=49/14=3.5也就是说蹬踏轮盘一周，飞轮转三周半。大学物理素质教育——案例分析传动比（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时（一般习惯用英时），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=Dπ=C/F×b×π自行车后轮直径的计量一般习惯用英制表示，而行程计算一般习惯用公制，因此在计算中需要把英制换算为公制。一英时=2．54CM，用K来代表，即：K＝2．54CM。代入公式，即：M=G/F×B×π×k例如，赛车轮盘为49齿，飞轮为14齿,后轮真径为主教黄时，求它行程距离时，求它行程距离，代人公式：M=C/F×b×π×k=49/14×27×3.14×2.54=754CM以上数据是自行车每踏蹬一周，车子向前行进行745cm,即7．54m。3压强平衡的原理：1887年的一天，英国一所中学要举行自行车大赛，中学生邓洛普正在为参赛做紧张的准备，他准备到大路上练习，笨重的橡胶轮胎与地面强烈地摩擦着。邓洛普边推边想，怎样才能使自行车骑得又快又省力呢？突然，自行车轮胎碰到了花园里的充水橡胶皮管，邓洛普的手臂被轻轻弹开了。邓洛普突然想到：我往轮胎里充气，不就能省力了吗？第二天，他骑着自制的充气轮胎的自行车参加比赛，一举夺得自行车大赛第一名。充气轮胎是自行车发展史上的一个伟大创举，它增加了车胎的弹性，不会因路面不平而震动，大大提高了骑车速度，这样从根本上改变了自行车的性能。4光的反射原理：自行车的尾灯不是可有可无的装饰物,而是在夜晚给行人,车辆作提示用的自行车尾灯实在名副其实.我们都知道他只是一块玻璃而已,其中并没有像小灯泡似的发光物体,人们往往称他为“灯”我们仔细观察尾灯,发现他里面是凹凸不平的玻璃体.这样的设计是为了夜晚行车似的需要,当夜幕来临时,司机们开着车在马路上行驶,他们看不清前方是否有人,这时,汽车前面的大大学物理素质教育——案例分析灯会发出耀眼的光,因为光线很强,所以会照到自行车上,照到自行车上的光线经过凹凸不平的自行车尾灯会发生漫反射因而反射到司机驾驶舱中,司机这时会发现前面有行人从而放慢速度.别小看一个小尾灯它的设计避免了无数场事故,巧妙的应用了物理学原理─光的漫反射.【与相关专业的联系】碳纤维自行车设计工艺自行车是人们日常生活中不可缺少的代步工具,其造价低廉,维修简单,使用方便,深受世界各国人民喜爱,形成了巨大的自行车消费市场,随着现代社会的飞快发展,自行车已不仅仅是交通和运输工具,已具有集健身、旅游、竞赛等多种功能。因此迫切需要有新形态、新材料的自行车出现,以使自行车外观更具美感,重量进一步下降,骑乘舒适性更好。自行车档次的高低取决于材料的选择和做工。典型的低、中、高档自行车构架分别由碳钢、铬钼合金及铝合金和碳纤维制造。碳纤维是一种新型的复合材料,它有重量轻、比强度高、比刚度大的优点,而且具有可设计性和易成型性,从而使设计的结构有更高的结构效率。目前,世界各国都对研制新形态、新材料的自行车投入了巨大的人力、物力、财力。车架是自行车的骨架,它在很大程度上决定了自行车的造型和使用性能。美国、英国和我国台湾等都已开发生产出碳纤维自行车车架。1碳纤维自行车的研制过程与现状1.1国外现状80年代中期,意大利、法国、英国和美国利用他们在复合材料和工程塑料方面的技术优势,相继开发成功了用碳纤维管和铝合金接头粘接成车架的碳纤维自行车。其车架重量较铬钼钢车架轻,强度、刚度却比铬钼钢车架高,因此一经研制成功,便被用作专门的比赛用车。欧美等国的自行车厂商与研究部门密切合作,对自行车进行了计算机辅助受力分析和强度计算,使自行车外形更符合人机工程学的要求。他们先用纤维编织机将碳纤维编成车架状的“骨架”,再放置在模腔内,注入树脂后进行加温加压固化,再对其表面进行光整处理。由此研究出重量轻、刚度大的碳纤维整体车架,随着碳纤维整体车架成型工艺的研制开发,碳纤维自行车在欧洲市场的地位不断上升,年销售辆已达几万辆。传统型的碳纤维管和铝合金接头的粘接式车架也让位于整体车架。这其中具有代表性的是法国Ｌｏｏｋ公司的ＫＧ-196和ＤＯＮＮＡＹ公司的ＰＲＯ9000整体式车架及ＫＥＳＴＲＥＬ车架。到了90年代,国外厂商将粘接型和整体型进行了“混合”技术。即用碳纤维管和多通接头作“底”外敷缠绕碳纤维层,使多通接管掩埋在里面,外部看起来似整体成型,以确保自行车的强度。1.2我国台湾碳纤维自行车发展现状80年代初期,台湾是世界上最大的自行车出口基地,然而到了80年代中期,台湾自行车工业由于其高科技含量低,失去了在国际市场上的竞争力。于是便开始着手研制碳纤维自行车。1985年,台湾最大的自行车厂商之一捷安特(Ｇｉａｎｔ)公司与台湾材料研究室(ＭＲＬ)共同开发碳纤维自行车,他们在不长的时间内取得了一系列科研成果,成功地开发了一种新颖的铝合金金属压注接头胶接碳纤维自行车构架。1988年,捷安特公司开始批量生产联合开发的碳纤维自行车构架,并组装整车上市,在岛内外自行车市场引起了极大的反响,获得了大学物理素质教育——案例分析每年一百万辆的市场份额,这种高科技自行车的成功开发,使捷安特一举成为世界著名商标,捷安特自行车得以顺利地畅销美国、日本、澳大利亚和欧洲共同体国家,捷安特公司的碳纤维自行车得以占领全球的60%市场份额。继铝合金压注接头碳纤维自行车研制生产取得巨大成功之后,ＭＲＬ和ＡＣＤ公司又瞄准了新的目标,于1993年联合开发出整体碳纤维自行车构架,使台湾自行车工业发展上了一个新台阶。1.3国内现状1993年,我国天津飞鸽自行车(集团)公司和北京环航复合材料公司联合投资开发粘接型碳纤维自行车。深圳中华自行车公司自筹资金在1993年底建成一个生产厂,生产自行车用碳纤维管,目前已研制出可焊接碳纤维管自行车。整体成型碳纤维车架国内目前还是空白,因此研制开发包括轻便车、赛车等先进复合材料自行车系列产品,不仅可以填补国内空白,而且还可取代进口,节约大量外汇。2自由形态整体车架研制与开发2.1车架形态设计由于胶接碳纤维自行车架的造型仍然沿用传统自行车的菱型,Ｕ型等框架式结构,缺少变化和现代美感,已不能满足现代社会人们对新奇美的追求。我们结合仿生学及人机工程学,设计出具有自由形态的赛车(图1-ｃ)、山地车(图1-ｂ)和女式轻便车(图1-ａ)碳纤维整体车架,以投消费者审美之好,刺激其消费欲望。(ａ)(ｂ)(ｃ)图1几种自行车形态方案赛车采用羚羊造型,它最大的特点视觉效果好,速度感强烈;山地车采用游泳运动员划水造型,它粗犷大方,集旅游、运动及代步于一体,有回归大自然的感觉。女式轻便车采用白天鹅造型,它短小精悍,外形漂亮、美观。上述几种车架形态从外形看,属流线形结构,线条流畅,给人以一种简洁明快之感。2.2用有限元对车架进行力学分析在复合材料可供利用的各种优异性能中,力学性能处于最重要的地位。它决定了碳纤维制品的综合性能。由于车架为自由形态,各部分受力情况分析非常复杂,难于列出偏微分方程,因此也就无法用解析法进行力学行为分析,必须采用有限