自行車中的物理原理

1、-小組成員；陳自見.陳仕云.萬博.譚楚嫣.殷英.彭雯倩 課題背景；自行車，這在生活中隨處可見的便捷的交通工具，給我們的生活帶來了巨大的好處，幾十年前，中國便是有“自行車之國”的稱號，而現(xiàn)在的我們的同學(xué)也有不少是騎自行車。一定有很多同學(xué)認(rèn)為自行車就是兩個輪子一個車架的再簡單不過的交通工具，但是又有多少人知道自行車中的物理原理呢？隨著時代的發(fā)展，功能不斷強(qiáng)化的自行車與我們見面了，“簡單”的自行車變得不簡單起來課題的目的和研究意義 1.自行車發(fā)展史：原始自行車，上世紀(jì)的自行車與現(xiàn)在的高科技自行車的相同的原理和不同功能，給人們的生活帶來的便捷。 2.自行車不同部位的不同功能，以及蘊(yùn)含其中的不同物理原理

2、。（重點(diǎn)） 3.對自行車未來的猜想，構(gòu)思，自己大膽設(shè)計一輛能夠在未來行駛的自行車。 研究方法；上網(wǎng)查找文獻(xiàn)資料，實(shí)地研究 計劃訪問對象：學(xué)生，自行車愛好者 可行性分析；幾十年前，中國便是有“自行車之國”的稱號，而現(xiàn)在的我們的同學(xué)也有不少是騎自行車，也便于我們的研究。 預(yù)期成果；幻燈片，書面報告，論文。 表達(dá)形式；幻燈片研究內(nèi)容范圍原始自行車，上世紀(jì)的自行車與現(xiàn)在的高科技自行車的相同的原理和不同功能 自行車不同部位的不同功能，以及蘊(yùn)含其中的不同物理原理。對自行車未來的猜想，構(gòu)思，自己大膽設(shè)計一輛能夠在未來行駛的自行車?；顒硬襟E；分四個階段實(shí)施 階段一： 時間：8月3日 主要任務(wù)：確定研究方向 制

3、定研究計劃 階段目標(biāo)：制定完整研究計劃 階段二： 時間；8月5日 主要任務(wù)：進(jìn)行研究，收集資料 階段目標(biāo)：為下一步整合分析準(zhǔn)備 資料，完成大部分研究報告 階段三： 時間：8月7日 主要任務(wù)；對調(diào)研報告做最終修改 同時制作課件 階段目標(biāo)；完成調(diào)研報告與課件 結(jié)束研究活動如圖所示，如圖所示，左邊左邊這種一個輪子大一個這種一個輪子大一個輪子小的便是自行車鼻祖了，最開始輪子小的便是自行車鼻祖了，最開始的自行車沒有鏈條沒有車蹬，只有兩的自行車沒有鏈條沒有車蹬，只有兩個輪子和一個車架，人們騎在中間的個輪子和一個車架，人們騎在中間的車架上靠雙腳與地面搓動，產(chǎn)生靜摩車架上靠雙腳與地面搓動，產(chǎn)生靜摩擦力，擦力，

4、“推動推動”自行車前行，這當(dāng)然自行車前行，這當(dāng)然是十分麻煩的。所以后來人們在一步是十分麻煩的。所以后來人們在一步一步的實(shí)踐與改進(jìn)中發(fā)明了近現(xiàn)代的一步的實(shí)踐與改進(jìn)中發(fā)明了近現(xiàn)代的自行車自行車現(xiàn)在，自行車已經(jīng)成了一項(xiàng)運(yùn)動，各種現(xiàn)在，自行車已經(jīng)成了一項(xiàng)運(yùn)動，各種不同的功能的自行車在不同的環(huán)境下應(yīng)不同的功能的自行車在不同的環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生，如適合比較崎嶇路況的山地自運(yùn)而生，如適合比較崎嶇路況的山地自行車，適合比較平直公路的公路自行車，行車，適合比較平直公路的公路自行車，根據(jù)需要，增加一些附件，如支架、衣根據(jù)需要，增加一些附件，如支架、衣架、保險叉、擋泥板、氣筒等。另外，架、保險叉、擋泥板、氣筒等。另外，

5、裝有變速機(jī)構(gòu)的運(yùn)動車、競賽車、山地裝有變速機(jī)構(gòu)的運(yùn)動車、競賽車、山地車等還裝有變速控制器和前后撥鏈器等。車等還裝有變速控制器和前后撥鏈器等。物理原理（研究結(jié)果）1、車架部件是構(gòu)成自行車的基本結(jié)構(gòu)體，也是自行車的骨架和主體，其他部件也都是直接或間接安裝在車架上的。 一般輻條（.車輪中連接車轂和輪圈的一條條直棍或鋼條）是等徑的，為了減輕重力，也有制成兩端大、中間小的變徑輻條，還有為了減少空氣阻力將輻條制成扁流線型 研究總結(jié)部分(關(guān)于車架) 但主體離不開其中的三角形的穩(wěn)定性的原理，如果哪輛自行車偏離了這個原理，那么，車架一定會因?yàn)槌惺懿蛔毫Χ冃?，散架。一般輻條（.車輪中連接車轂和輪圈的一條條直棍

6、或鋼條）是等徑的，為了減輕重力，也有制成兩端大、中間小的變徑輻條，還有為了減少空氣阻力將輻條制成扁流線型 自行車的輻條是讓鋼圈盡可能各個地方受力平衡，避免鋼圈變形，一般斷了輻條后鋼圈會很容易變形，而鋼圈上的輻條數(shù)量越多，就是為了更好地固定好鋼圈的形狀，以便于在花式表演或者山地跋涉顛簸時受力更加均勻，展示出更高的車技和車輛的抓地能力 2、外胎：分軟邊胎和硬邊胎兩種。軟邊胎斷面較寬，能全部裹住內(nèi)胎，著地面積比較大，能適宜多種道路行駛。硬邊胎自重輕，著地面積小適宜在平坦的道路上行駛，具有阻力小，行駛輕快等優(yōu)點(diǎn)。 外胎上的花紋是為了增加與地面的摩擦力。山地自行車的外胎寬度特別寬，花紋較深也是適應(yīng)越野山

7、地用。 研究總結(jié)部分(關(guān)于外胎) 外胎上的花紋是為了增加地面的摩擦力。接觸面積越大，摩擦力就越大，這樣車輪與地面之間才不會打滑，自行車才能向前進(jìn)。山地自行車外胎寬度特別寬，花紋較深也是適應(yīng)越野山地用。 3、腳蹬部件：腳蹬部件裝配在中軸部件的左右曲柄上，是一個將平動力轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動力的裝置，自行車騎行時，腳踏力首先傳遞給腳蹬部件，然后由腳蹬軸轉(zhuǎn)動曲柄，牙盤，中軸，鏈條飛輪，使后輪轉(zhuǎn)動，從而使自行車前進(jìn)。因此腳蹬部件的結(jié)構(gòu)和規(guī)格是否合適，將直接影響騎車人的放腳位置是否合適，自行車的驅(qū)動能否順利進(jìn)行。 腳踏：可分為整體式腳踏和組合式腳踏。無論什么款式的腳踏都必須有腳踏面，必須安全可靠，具有一定的防滑性能

8、，可以選用橡膠、塑料或金屬材料制造。腳踏必須轉(zhuǎn)動靈活。 研究總結(jié)部分(關(guān)于曲柄) 曲柄這里，運(yùn)用了一個最基本的物理原理：省力杠桿。力臂是整個曲柄，而阻力臂只有軸承上的一點(diǎn)，也正是因?yàn)檫@樣，人才有力氣踩動踏板，帶動鏈條，讓自行車前進(jìn)。 4、前叉部件：前叉部件在自行車結(jié)構(gòu)中處于前方部位，它的上端與車把部件相連，車架部件與前管配合，下端與前軸部件配合，組成自行車的導(dǎo)向系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)動車把和前叉，可以使前輪改變方向，起到了自行車的導(dǎo)向作用。此外，還可以起到控制自行車行駛的作用。 前叉部件的受力情況屬懸臂梁性質(zhì)，故前叉部件必須具有足夠的強(qiáng)度等性質(zhì)。 研究總結(jié)部分(關(guān)于轉(zhuǎn)動車把和前叉) 轉(zhuǎn)動車把和前叉，可以使

9、前輪改變方向，起到了自行車的導(dǎo)向作用。此外，還可以起到控制自行車行駛的作用。車把這里，也采用了一個簡單的杠桿原理，我們實(shí)驗(yàn)過，如果手握住靠近前叉的地方來轉(zhuǎn)彎，是比較費(fèi)力的，而且轉(zhuǎn)彎幅度也比較小，而如果手握車把兩端來轉(zhuǎn)彎，是比較省力的，而且轉(zhuǎn)彎幅度也比較大。前叉部件的受力情況屬懸臂梁性質(zhì)，故前叉部件必須具有足夠的強(qiáng)度等性質(zhì)。懸臂梁：梁的一端為不產(chǎn)生軸向、垂直位移和轉(zhuǎn)動的固定支座，另一端為自由端（可以產(chǎn)生平行于軸向和垂直于軸向的力）。 5、鏈條：鏈條又稱車鏈、滾子鏈，安裝在連輪和飛輪上。其作用是將腳踏力由曲柄、鏈輪傳遞到飛輪和后輪上，帶動自行車前進(jìn)。 鏈輪：用高強(qiáng)度鋼材制成，保證其達(dá)到需要的拉力。

10、 6、飛輪：飛輪以內(nèi)螺紋旋擰固定在后軸的右端，與鏈輪保持同一平面，并通過鏈條與鏈輪相連接，構(gòu)成自行車的驅(qū)動系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)上可分為單級飛輪和多級飛輪兩大類。 單級飛輪又稱為單鏈輪片飛輪，主要由外套、平擋和芯子、千斤、千斤簧、墊圈、絲擋幾鋼球等零件組成。其單級飛輪工作原理：當(dāng)向前踏動腳踏是，鏈條帶動飛輪向前轉(zhuǎn)動，這時飛輪內(nèi)齒和千斤相含，飛輪的轉(zhuǎn)動力通過千斤傳到芯子，芯子帶動后軸和后輪轉(zhuǎn)動，自行車就前進(jìn)了。 當(dāng)停止踏動腳踏板時，鏈條和外套都不旋轉(zhuǎn)，但后輪在慣性作用下仍然帶動芯子和千斤向前轉(zhuǎn)動，當(dāng)反向踏動腳踏時，外套反向轉(zhuǎn)動，會加速千斤的滑動，使“嗒嗒”聲響得更急促。多級飛輪是自行車變速裝置中的一個重要

11、部件。 多級飛輪是在單級飛輪的基礎(chǔ)上，增加幾片飛輪片，與中軸上的鏈輪結(jié)合，組成各種不同的傳遞比，從而改變了自行車的速研究總結(jié)部分(關(guān)于鏈輪飛輪) 鏈輪：用高強(qiáng)度鋼材制成，保證其達(dá)到需要的拉力。 其單級飛輪工作原理：當(dāng)向前踏動腳踏是，鏈條帶動飛輪向前轉(zhuǎn)動，這時飛輪內(nèi)齒和千斤相含，飛輪的轉(zhuǎn)動力通過千斤傳到芯子，芯子帶動后軸和后輪轉(zhuǎn)動，自行車就前進(jìn)了。 多級飛輪是在單級飛輪的基礎(chǔ)上，增加幾片飛輪片，與中軸上的鏈輪結(jié)合，組成各種不同的傳遞比，從而改變了自行車的速度。陳仕云:1. 2100年納米技術(shù)已經(jīng)非常成熟，可以控制單個原 子的排列，做出各種材料，但尚未成功利用納米技術(shù)做出能活的生命體。新一代超強(qiáng)的

12、永久磁石就是納米技術(shù)下的產(chǎn)物，比現(xiàn)今的釹鐵硼磁石強(qiáng)幾十倍，永磁懸浮不只是應(yīng)用在火車上，永磁軸承也應(yīng)用在自行車上，摩擦力比現(xiàn)今的陶瓷軸承少幾十倍，摩擦力接近零，有極佳的吸收振動效果，使公路車也具有一定越野能力。而且不用上油保養(yǎng)非常耐用。2.鏈條也淘太了，未來的自行車?yán)靡簤簛韨鬟f動力，摩擦力比鏈條低70%，靜音，免維護(hù)。3.置于車的骨架，全部采用中空骨的結(jié)構(gòu)，和車胎一樣其內(nèi)沖上比空氣質(zhì)量輕，且無污染的氣體，來減輕車體的總重。 陳自見：隨著經(jīng)濟(jì)與高科技的發(fā)展，未來的自行車可能成為“高科技大國”中又一大主力成員，或許現(xiàn)在用的一些高科技設(shè)備在不久之后便能在自行車身上看到影蹤 GPS導(dǎo)航儀、自動剎車、遠(yuǎn)

13、程感應(yīng)系統(tǒng)等等都會被應(yīng)用。亦或許，以后的自行車不再單單是雙輪，可以變成有靠背椅的自動平衡重力感應(yīng)的單輪自行車，畢竟現(xiàn)在的自行車在某些場合中仍顯得不夠輕盈。目前，對許多殘疾人來說自行車認(rèn)識一個可望而不可即的夢想，說不定在以后的自行車上能夠安裝一個有利于腿部殘疾的殘疾人的自動旋轉(zhuǎn)踩踏的平衡助推儀，只需要一點(diǎn)點(diǎn)的太陽能來發(fā)動儀器，這樣在未來，自行車能夠更全面的幫助人們。 萬博： 首先，動力系統(tǒng)的改進(jìn)是必須的。在降低磨損所帶來的消耗的同時，我們可以加一些輔助的動能。當(dāng)然，一定要環(huán)保，所以使用氫能或者太陽能是最好的。并且在改進(jìn)的同時不能削弱自行車原本的鍛煉效果，所以可以設(shè)置輔助動能開啟的最低速度，并且開

14、啟后五秒不踩踏則自動關(guān)閉輔助動能系統(tǒng)。 其次，在安全方面也可以改進(jìn)下?？梢栽谧孕熊嚿霞右粋€保護(hù)裝置（折疊式的，減小占有空間），在自行車收到劇烈撞擊時自動保護(hù)騎行者。 在控制方面，也可以采用更為先進(jìn)的電腦輔助控制。不想控制時可以切換到電腦控制，利用GPS定位來到達(dá)想要到的地方。譚楚嫣：我們只是想象在未來科技滿足我們的要求下設(shè)計出這些符合我們設(shè)計原理和科技要求的設(shè)備，我們想的是：單車，現(xiàn)在幾乎我們平?？吹降娜慷加墟湕l來完成行駛，但 在這次研究時，出去觀察不同單車時，我們發(fā)現(xiàn)，株洲市現(xiàn)在正在普及的動力單車就沒有鏈條，（差張圖），那么也就不存在在行駛過程中掉鏈的問題了 彭雯倩：如今的2100年，納米技術(shù)已經(jīng)非常成熟，可以控制單個原子的排列，做出各種材料，但尚未成新一代超強(qiáng)的永久磁石就是納米技術(shù)下的產(chǎn)物，比現(xiàn)今的釹鐵硼磁石強(qiáng)幾十倍，永磁懸浮不只是應(yīng)用在火車上 磨擦力方面；永磁軸承也應(yīng)用在自行車上，摩擦力比現(xiàn)今的陶瓷軸承少幾十倍，摩擦力接近零，有極佳的吸收振動效果，使公路車也具有一定越野能力。而且不用上油保養(yǎng)非常耐用。 殷英：對未來自行車的構(gòu)想：目前世界上已有科學(xué)家研究出用電腦波控制機(jī)器，我想是否