自行车中的物理

自行车中的物理第1页/共27页1.自行车简介自行车，又称脚踏车或单车，通常是二轮的小型陆上车辆。人骑上车后，以脚踩踏板为动力，是绿色环保的交通工具。英文bicycle。其中bi意指二，而cycle意指轮，即两轮车。在中国内地、台湾、新加坡，通常称其为“自行车”或“脚踏车”；在港澳则通常称其为“单车”（其实粤语通常都这么称呼）；而在日本称为“自転（转）车”。第2页/共27页第3页/共27页1.1山地车的由来山地车,起源于美国,1974年,GaryFisher、CharlieKelly、TomRitchey想要一辆可以在公路外骑行的自行车，远离“警察、汽车和建筑物”，于是他们开始将配件和摩托车部件安装到二战前结实的单沙滩车上。同一年，GaryFisher和他的朋友们无惧死亡的“塔马尔帕斯山之行”为全新骑行风格的诞生铺平了道路。随着GaryFisher在山地领域引起的巨大反响，他的Klunker随后被MountainBikeAction杂志评选为“历史十大山地车”之一。1976年CharlieKelly开始推动焕然一新的下坡赛，这是第一个伟大的山地自行车活动。CharlieKelly委托制商JoeBreeze设计并开发越野自行车，这是有史以来制造的第一批“山地自行车”并命名为“Breeze”。JoeBreeze以Breeze为原型在1977年至1978年之间完成设计和制造了9个系列的车型，Breeze的原型车现在在美国史密森学会的国家博物馆收藏。第4页/共27页前叉为越野而生避震弹簧叉阻力叉油簧叉油气叉第5页/共27页前叉相同类型的前叉，除了使用的材料跟重量，最大的差别就在油控阻尼的不同。举例来说，相同行程的气压的前叉，若使用相同的油控阻尼，那除了材料不同而产生的重量差与制程公差的控制之外，在骑乘感觉方面并没有差异，因此油控阻尼可以说是前叉最具价值的一部分。在选购前叉时，它的油控阻尼机制应该是你的第二考虑阻尼都是利用油的黏滞特性，可参考下图，当阻尼活塞在前叉作动时，上面只有一些孔隙可以让油通过，当油要挤进这个孔隙第6页/共27页弹簧前叉1.弹簧前叉:工作原理：胡克定律单纯的弹簧前叉在专业山地车中已经不常见了。弹簧前叉加入油阻尼，就变成为油簧前叉。这样做可以让前叉缓慢回升，利于骑行。第7页/共27页气压前叉2.气压前叉:波义尔定律来解释P1V1=P2V2其中，设P1为前叉未受压缩时气室内的压力，而V1即为此时的气室体积，而P2为前叉受压产生Δt的压缩量时气室内的压力，V2为此时的气室体积。而气室内气压对活塞(piston)的正向(在上图中为向下)作用力F，可表示为F=PA,A为活塞的表面积.而气室的体积V又可写为,V=LA将上两式带入可得,F1*L1=F2*L2压缩后的气室长L2即为原长L1减去压缩量Δt，而压缩前叉的力F则为F2减去F1，等于F=(F1*L1/(L1-Δt))-F1=F1*(Δt/(L1-Δt)),从上面这个公式我们可以发现当分子Δt，即弹簧压缩量，增加时，分母项也同时减少，因此当前叉越受压缩，它抵抗压缩的力量会非线性的快速增加。以前面的例子来说，假设使行程压缩2公分需施力20公斤，当弹簧要有4公分的行程压缩则可能要有60公斤的力。第8页/共27页车架车架：15/16寸：适合身高：150cm-165cm；17/18寸：适合身高：165cm-175cm；19/20寸：适合身高：175cm-185cm；21/22寸：适合身高：185cm-195cm：15”/17”/19”/21”:为亚洲人设计车型16”/18”/20”/22”:为欧洲人设计车型第9页/共27页车架车架材质从最早的铬钼钢、进化到铝合金、然后是复合材料的运用如碳纤维，其他还有钪合金、镁合金、钛合金等，业者不断研发新材料配方，提升管件与结构设计能力并创新加工技术，只为了让车架更轻、更强、更舒适且更流线美观。密度是决定车架重量的关键因素之一，密度愈低，车架可以做到愈轻，铬钼钢的密度为7.9，铝合金为2.6-2.9，钛4.5，钛合金4.3-5.1，碳纤维复材1.6，镁合金1.7，由此可知铬钼钢的密度最高，碳纤复材最低。然而车架除了重量外，还要考虑拉伸强度，弹性系数等，所以虽然密度低，但强度不够也不行。第10页/共27页铬钼钢自行车优点1.易加工2.寿命长3.乘骑感舒适缺点1.太重2.容易生锈第11页/共27页铝合金山地车，优点：轻便，不易腐蚀缺点：弹性率低，需要高热处理，要用粗金属管第12页/共27页碳纤维公路车，优点：轻，不弯曲，吸收冲击力能力好缺点：会老化，成本高，断裂无法修复第13页/共27页自行车坐垫目前自行车的坐垫大概可分为两种：1.窄型细长的硬座垫，这种窄型的硬坐垫常见于运动型单车，是设计给高速巡航用的。踩踏速度快时宽的坐垫容易摩擦大腿内侧而疼痛，也影响踩踏动作所以设计细长而窄。软的坐垫无法稳稳撑住身体影响踩踏效率，屁股就像陷在沙发一样，软座垫与屁股接触面积大，踩得快屁股一直动反而因为过多的摩擦而疼痛，硬质坐垫比较适合快速的踩踏动作。2.宽大而软的舒适型座垫，这样的座垫较常见于入门车种或休闲取向的单车，是设计给慢速巡航用的。宽大的设计能让座垫跟屁股之间有较大而平均的支撑面积，软质的座垫能提供较佳的舒适度，由于休闲取向的踩踏动作，不须考虑宽而软的坐垫不适合高速踩踏的因素。第14页/共27页普通自行车坐垫大而柔软，坐起来舒适第15页/共27页山地车坐垫窄而长感觉不舒适第16页/共27页公路车坐垫更窄更长第17页/共27页第18页/共27页主要分为三类：V刹，碟刹，油压碟刹第19页/共27页V刹系统平时最为常见的刹车系统，拉线带动卡钳内的刹车皮与车圈摩擦来刹车，优点简单易调，缺点效果一般易磨损第20页/共27页碟刹系统碟刹：拉线带动卡钳内的刹车片与碟盘摩擦，但是拉线刹车力度有限油压碟刹：活塞压缩油液，带动刹车片与碟盘摩擦，刹车力更强，但成本高，密封要求高第21页/共27页轮组公路车轮组：轮胎细，法兰花鼓额外宽山地车轮组：胎面粗，花纹深，摩擦力足，提供很大的弹力第22页/共27页变速传动第23页/共27页传动系统“齿比=前大盘齿数/后飞轮齿数”，基本上自行车齿轮加链自行车变速系统条的传动系统的作用是“将车手踩踏的能量（马力）转换成轮胎的扭力”。“速度”由最大齿比（前大盘最大齿片对应后飞轮最小齿片）决定，在同样踩踏回转数时，齿比越大，速度越快。例如一般27速登山车最大齿比为“前44T，后11T，齿比=4”，车手踩一圈轮子会转4圈，速度最快但轮圈扭力最小，相对的车手踩踏的力道要最大，才能维持使车子前进所需的扭力。“爬坡”时用最小齿比（前大盘最小齿片对应后飞轮最大齿片），爬坡的时候，车手不但要维持车子前进，同时还要上升高度，这个时候需要增加扭力，在维持同样踩踏回转数的前提下，降低齿比有提高轮胎扭力，例如一般27速登山车最小齿比为“前22T，后34T，齿比=0.65”，车手踩一圈轮子才转0.65圈，所以车手的体力都转成扭力来举升车子供爬坡了。要注意路面湿滑时，高扭力会导致轮胎打滑，就是扭力大于地面的摩擦力时，无法前进，另外高扭力爬坡时还可能会翘孤轮。第24页/共27页传动系统自行车的变速器，前3齿盘、后9齿盘的组合可变速为27。在此以山地车自行车变速系统为例说明。旋动脚蹬时，前齿盘旋转，通过链条把力量转递到后齿盘，车轮就前进。前齿盘的大小（齿数）和后齿盘的大小（齿数）决定旋动脚蹬时的力度。前齿盘越大，后齿盘越小，脚蹬时感到费力（自行车前进的距离变长）。前齿盘越小，后齿盘越大，脚蹬时感到轻松（自行车前进的距离变短）。自行车的骑行是起跑、停止、上坡、下坡、迎风、顺风等情况下前进。不管是任何条件下都能保持一定的速度(自行车快速前进，或者是慢速前进，都能保持一定的踩蹬步速和力矩，就要变速器。你假若不要加大自已的力度，只加大齿轮比来快速骑行，那是不可能的事。实际骑行过程中很快发现这一点的。加大齿轮比（高力矩、低旋动）来骑行时，达不到最适当的骑行（放出最适当的能量的力矩和旋转的组合）。这将会增加膝盖的负担和成为引起各种障碍的原因。第25页/共27页全球十大山地车品牌1.Specialized（闪电）：美国品牌，堪称自行车界BMW，它的公路、山地系列做得尤其精湛。环法比赛用车。2.TIME:法国著名自行车生产商。它的公路的车架系统、自锁系统的设计是世界一流水平。3.Colnago（梅花）：意大利著名公路自行车厂家。C40是该厂的顶级型号，环意赛，世锦赛用车。4.BMC:瑞士自行车生产商。主要产品是山地车、公路车、计时赛用车。BMC与Easton合作开发的纳米碳纤管材是闻名于自行车界的独特设计。5.Trek（崔克）：美国著名品牌，赞助的DiscoverChannel车队曾连续七次赢得环法桂冠。6.Schwinn：