理论力学实验报告初稿

自行车力学研究内容摘要：本文通过对平日里生活中最常见的交通工具自行车的观察，通过公式推导，对其行进运动和传动方式进行了理论力学方面的分析。正文：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。自行车是人类发明的最成功的一种人力机械，是由许多简单机械组成的复杂机械。1791年，一位名叫西夫拉克的法国人最先创造出了现代自行车的原型“木马轮”，虽然它没有驱动装置也没有转向装置，骑车人靠双脚用力蹬地前行，改变方向时也只能下车搬动车子。经过近一百年的发展，在1874年诞生了真正具有现代形式的自行车。英国人罗松在这一年里，别出心裁地在自行车上装上了链条和链轮，用后轮的转动来推动车子前进。又经过不断地发展、改进，才逐渐演变出了现在随处可见的自行车型。在本文中涉及的几个重要的自行车概念：1）、传动装置：包括主动齿轮（轮盘）、被动齿轮（飞轮）、链条及变速器。2）、齿轮比：主动齿轮（轮盘）与被动齿轮（飞轮）的齿数之比。3）、传动比：齿轮比乘以后轮的直径。4）、传动行程：传动比再乘以圆周率即为传动行程，即每蹬踏一周单车前进的距离。自行车上的力学原理自行车作为一种复杂机械，其涉及很多理论力学方面的原理，如：减小与增大摩擦车的前轴，中轴及后轴均采用滚动轴承以减小摩擦。为更进一步减小摩擦，人们常在这些部位加润滑剂。多车身多处刻有凹凸不平的花纹以增大摩擦，如车把、脚踏板。而在刹车的同时，手用力握紧闸把，增大刹车皮对钢圈的压力以达到制止车轮滚动的目的。弹簧的减振作用车的坐垫下安有许多根弹簧，利用它的缓冲作用以减小振动。压强知识的运用坐垫呈马鞍形，它能够增大坐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。简单机械知识的运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：脚踏板与链轮牙盘；后轮与飞轮及龙头与转轴等。运动与传动原理接下来，笔者就要以其自行车大行sp8为例，对自行车的运动和传动进行一个浅析。自行车运动是一种半机械化运动。人们应掌握一定的机械原理和力学知识，有效地利用传动速比，合理掌握运动强度，巧妙节省体能消耗，从而以充沛的体力，达到高效的运动。自行车是传动式机械，它的传动装置包括主动齿轮、被动齿轮、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。后轮运转实质在于：在链条传动下的飞轮带动后轮转动，飞轮与后轮具有相同的角速度，而后轮半径远大于齿轮半径，由线速度增大，提高了车速。如果两个齿轮的齿数相同，那么踏蹬一周，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：大行sp8传动与变速系统配置中，牙盘为53齿，飞轮有八级变速，为11—32齿，则可以算出最大齿比gmax=53÷11＝4.818，最小齿比gmin=53÷大小齿轮之间用链条相连，则大小齿轮盘沿线速度大小相同，V1=V2，而小齿轮和后轮之间通过轮轴相连，他们的角速度相同ω1=笔者通过进一步计算可知人踩踏板的速度和后轮转动速度V3VVV又因为

V所以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。后圈越大，传动比越大。例如，在大行sp8的后圈直径为20寸（自行车轮圈直径习惯用寸表示），约为0.67m。代入公式：dmax=dmin=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，取π＝3.14），它们之间关系用公式来表示，即：m=d×π所以大行sp8的传动行程：mm因为变速自行车的齿轮比可变，所以其传动行程也可变。当在顺风、下坡时，可使用大齿轮比，达到大的传动行程，便于加快车速；当在逆风、上坡时，可调节至较小齿轮比，减小传动行程，从而达到省力的效果。随着人类科技的发展，越来越多的新技术、新方法被用到了自行车制造中，如变速装置的出现，轻便的碳化车身的使用等。随着科技的发展，总有一些过时的机械设计会被淘汰。但是作为人类所发明的最成功的人类机械之一的自行车，也一定会在不断进步的世界中，留有它不可或缺的一席之地。参考文献：[1].百度百科.自行车[OL]./view/6328.htm一、摩擦1、启动过程中的摩擦力在链条驱动下，后轮胎逆时针转动时，轮胎与地面接触处相对于地面有向后运动的趋势，故地面对后轮胎施加向前的摩擦力f1，此摩擦力成为自行车向前运动的动力。在此力的作用下，自行车整体具有向前运动的趋势，自行车的前轮胎与地面接触处相对于地面有向前运动的趋势，则地面将对前轮胎产生向后的摩擦力f2，在f2的作用下，前轮胎便沿着后轮胎相同的方向转动起来，自行车就向前运动，因此，人们也将后轮胎称为主动轮，前轮胎称为从动轮。假如没有摩擦力会出现什么情况呢？同样以人在冰面上为例，当站在冰面上时，摩擦力很小，几乎为零。这时人要向前走是很困难的，并且会很容易摔倒。同理，下雨天或下雪天时，由于地面摩擦力变小，人骑自行车很容易摔倒，也就是通常所说的打滑。我们知道，自行车的轮胎并不是光滑的，而是有凹凸不平的纹路。正是通过这种方法来增大摩擦力。如果轮胎表面越粗糙，摩擦力越大，行驶过程中越安全。2、刹车过程中的摩擦力摩擦力对自行车的制动也很关键。如果刹车性能不好，会严重影响到骑车人的行驶安全。自行车能停下来，主要是靠刹车块与轮胎之间的摩擦。人捏刹车柄，使刹车线带动刹车块与轮胎靠紧，产生摩擦力使自行车减速，最终停下来。影响摩擦力大小的因素有压力大小和接触面粗糙程度。借助自行车，可以用一个简易的实验来证明：以一恒定大小的速度驾驶同一辆自行车，用大小不相同的力捏刹车柄，结果力越大，自行车制动越快；相同的初速度，停下来越快则加速度越大，即摩擦力越大。说明压力越大，产生的摩擦力越大。再用新、旧两辆自行车，在相同的速度下，用相同的力捏刹车柄，结果新车制动得快。因为旧车的刹车块磨得比较光滑了，所以产生的摩擦力小。这符合压力相同，接触面越粗糙，摩擦力越大的结论。二、减震为了提高自行车的舒适性，自行车上装上了减震器。自行车上共有3处应用到减震：三角架、鞍座、车头，这几处都是用弹簧作连结，如果没有减震，当自行车震动时，整个车身都会显得不灵活，人便随着弹起又落下。而有减震的自行车，在同样的坑洼路上，由于弹簧具有形变性，使人落下时与车身接触的时间增长，受力变小，提出高了舒适性。好比从高处跳到水泥上，脚会生痛，而在地面上铺上软垫后，再从相同高度跳下，人会感觉舒服得多。减震不仅能提高人骑自行车的舒适性，同时也减少了自行车的磨损。没有减震的自行车，由于车身不灵活，震动会很剧烈。因此对材料的磨损很大。而装上减震后，车身变得灵活，而且减小了震动，对材料的磨损大大减小，也就延长了车的寿命。减震在自行车的行驶过程中必不可少。至于减震的应用效果，与安装部位也有关联，当然，三角架、鞍座、车头这三处便是理想之处。因为车头处对车前身起到了减震作用，鞍座和三角架对整个车身也起到减震作用，这就是比较完整的构