自行车的受力分析.ppt

自行车的受力分析 自行车与生活 自行车是我们日常生活中极其常见的一种交通工具 据统计目前中国有大约七亿辆自行车 骑自行车是当下户外活动的热门交通方式 它不仅有益身心健康 更体现了环保 自然的生活理念 简单的自行车中含有许多的物理知识 现在我们将对自行车做受力分析 工作原理 在我们蹬脚踏时 我们的蹬力带动前齿轮转动 前齿轮带动车链转动 车链又带动后齿轮转动 再由后齿轮带动后轮转动 后轮转动时 受到向前的摩擦力作用 推动自行车前进 不同状态时的受力分析 五种状态的受力分析 状态一 静止 人与车的重力与地面对车的支持力平衡 自行车的前后轮都相对于地面作纯滚动 但是它们受力情况不同 人骑车时 前后轮的受力 后轮作为主动轮 是整个车体的驱动部分 其受力分析如下图所示 后轮 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M2 以及滚动摩擦力FS 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FS就是推动整个车向前的动力 前轮 对前轮进行受力分析 如下图所示 前轮作为从动轮本身不会自发运动 但后轮动了 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 状态二 起动 起动 或加速 时 轮速大于车速 后轮是自行车前进的动力来源 所以后轮是主动轮 在接触面 后轮相对于地面向后运动 所以摩擦力向前 后轮和车会做加速运动 前轮是从动轮 受到的摩擦力向后 状态三 匀速前进 匀速时 车受力平衡 人踩的力和车轮与地面的摩擦力相互抵消 后轮与地面相对向后运动 所以摩擦力向前 前轮作为从动轮 摩擦力向后 前后轮受到的摩擦力大小相等 方向相反 状态三 匀速爬坡 匀速前进的水平方向爬坡过程下坡的垂直斜面方向选择性综合具体分析留给有兴趣滴孩纸 状态四 下坡 下坡不踩踏板当骑行者不再踩踏板的时候 后轮的速度小于车速 因此 后轮随车的向前运动而转动 两个轮子都变成了 从动轮 在接触面 后轮与地面相对向前运动 所以摩擦力方向向后 前轮始终向后 前后轮所受摩擦力均向后 故整个车体受到的摩擦力为与运动方向相反的阻力 滑下过程中 状态五 刹车 日常生活中 常有骑自行车的人在急刹车时车体出现前翻 打横 或前翻与打横的现象 特别对刚学会骑自行车的人在北方冬天较光滑的冰雪路面更是难于行驶 这些现象是怎样产生的 又该怎样避免呢 我们试图对刹车时的现象进行力学分析 希望对我们以后骑车有所启发 不同刹车方式产生不同现象 在有摩擦的水平面上沿直线行驶时 如果捏前闸 质心较高较靠前 地面与车摩擦较大时 车较易前翻 如果捏后闸 质心较低 地面与车摩擦较小时 车不易前翻 如果人体相对车不变位置时 捏前闸较捏后闸车更易前翻 在摩擦较小 如冰雪路面 水平面上 且前后轮不在一直线上前进 此时刹车易出现车打横 捏前闸比捏后闸更易打横 前后轮轴速度方向的间距 车与路面的摩擦力作用线之间间距 越犬 刹车时更易打横 放平 不同刹车方式产生不同现象 当需要紧急刹车时 如果刹车前闸 身体会受到猛烈的冲击 若车速很快或者车较轻 自行车还有可能猛甩一下 而刹车后闸则比较平稳 震动不大 所以一般推荐使用后闸 如把人看成一个系统 分析刹车瞬间的受力情况 如上图所示 A B两点分别受到地面支反力 和摩擦阻力 的作用 系统质心在C点 为总质量 Fx为刹车时系统受到的惯性力 则系统的平衡方程为 1 即 具体受力分析 刹车前闸 当刹车前闸时 假设前轮突然停止转动即产生滑动摩擦 后轮仍转动 补充方程为 2 3 式中为摩擦系数 引入参数 则 3 可变为含参数的等式 4 联立 1 2 4 解得 5 6 刹车前闸时 式 5 中分母有可能为零 从而趋于无穷大 所以骑车人可以感觉到猛烈的冲击 若 必 0 即 0 由 那么 0 这意味着后轮不着地 整个系统以A为支点转动 则打横甩尾 人就有可能被甩出去 从公式可以看出 若想刹前闸时比较平稳 应h尽量减小 l尽量增大 同时a也尽量增大 所以设计自行车都是两轮间距l较大 坐垫高度h不高 且坐垫靠近后轮 这样设计是合理的 后轮刹车 刹车时 刹皮与车圈间的摩擦力 会阻碍后轮的转动 手的压力越大 刹皮对车圈的压力就越大 产生的摩擦力也就越大 后轮就转动的越慢 如果完全刹死 后轮与地面之间的摩擦由滚动摩擦变为滑动摩擦力 且方向向后 阻碍自行车的运动 因此自行车会停下来 刹车后闸 当刹车后闸时 后轮B处发生滑动摩擦 前轮仍转动 补充方程为 7 8 引入参数 则 3 可变为含参数的等式 9 联立 1 8 9 解得刹后闸时 的分母不可能为零 则为一有限值 所以骑车感觉比较平稳 写在最后 篇一我们已经分析了自行几种基本运动状态时的受力情况 有兴趣的孩纸可对自行车转向 圆周运