机设10-3班黄思博李达刘春阳李育辉【摘要】依据自行车的行驶原理，从力学角度分析骑自行车遇到的如何省力、刹车问题，并对自行车的设计进行了讨论1自行车行驶原理自行车为后轮驱动，骑车人脚蹬踏板在后轮上产生力矩M在M的作用下产生一车 轮对地面的圆周力Fo，而地面对车轮的反作用力Ft即为驱动力，Ft=M/R, R为车轮半 径，如图1示车子在水平道路上等速前进时，必须克服滚动阻力Ff和空气阻力F®，所以自行车 的行驶方程为Ft=Ff+Fw它的驱动条件是Ft> Ft+Fw同时，车要有效前进还必须满 足附着条件Ft< F“，F” =G“，书为附着系数一般自行车的设计都采用后轮驱动，从 行驶条件看是合理的因为人车系统质心的位置偏于后侧，则后轮承受较大的荷载能产生 比较大的附着力，有利于满足附着条件2骑车省力技巧当自行车在平坦的路面上沿直线匀速前进时，根据行驶方程式Ft=Ff+R ,驱动力应与行驶阻力相等，则骑车人蹬踏板的力F应保持不变但用前脚掌蹬车时感觉比用后脚 跟蹬车费力这是什么原因呢原来，骑车时上半身基本保持不变，只有脚和腿在周而复始地运动如图 2(a),当用前脚掌蹬踏板时，脚以踝关节为支点摆动c设静坐标系固定在大链轮中心0 处，动坐标系固定在踏板轴中心口处，则相对运动是脚的摆动，牵连运动是踏板相对大链 轮作圆周运动。
此时小腿肌肉收缩做功，大腿仅以较小幅的动作上下随动而用脚后跟蹬 踏板时，力的作用线沿小腿过膝关节，如图 2 (b)所示设坐标系位置不变，牵连运动仍为圆周运动，但相对运动变为大腿绕髓关节摆动 此时，大腿上肌肉群收缩做功，大腿运动幅度较大固为肌肉产生的力与肌肉的生理横截 面积成正比，栩比之下，大网肌肉的生理横截面积远比小腿肌 肉大，所以产生的力也大若用相同的力F蹬踏板，当然用脚后跟脸车感觉就轻松多了当骑车遇到止坡或顶凤时因增加了上坡阻力和空气阻力， 这时用脚限蹬车同时压低用力侧上身，可产生较大的爆发驱动力丽路况较好或顺凤时，用前脚常蹬车 因大阴运动幅度小，脚以踝关节为支点摆动，力臂短小，可提高转速而达到较高车速3刹车技巧经常骑车的人会遇到各种情况当需要紧急刹车时，如刹车前闸，身体会受到猛烈 的冲击若车速快或车予轻，自行车还可能猛甩一下，甚至发生打横等危险情况而刹后 闸则比较平稳，震动不大，这也有其力学原理如把人与车看成一个系统，分析刹车瞬间的受力情况，如图 3所示A、B两点分别受地面支反力Ni、N2和摩擦阻力Fl、F2的作用，系统质心在c点，G为总重量，Fi为刹车时系统受到的惯性力，则系统的平衡方程为：(SX=O彳送Y二。
Fi十C一年1)M + B" G = 0N"十尸杳一 Ga = O刹前闸当刹前闸时，假设前轮突然停止转动丽产生相对滑动摩擦，后轮仍转动，补 充方程为：[Fi = (2)-I 巴 < Z (3)式中j为虞擦蔡数^ I人参数[orikrt(3)m变为含富数的等式；AE\=晒 (4)联立(1)X2)和(4人解方程可得；Ff= \j{l - &(] -7)]IG/[7 - #(1- ?)] ⑸Fa = [/?(« - Jh))G/[l - Jh(l - »] (6)刹前闸时，式(5)中分母有可能为零，从而Fi趋于元穷大，所以骑车人可以感觉到 猛烈的冲击若Fitx，必a — f hv 0,即F2V 0，由F2=n f N2,那么N2V 0,这意味 着后轮不着地，整个系统以A为支点转动，则车打横甩尾，人有校甩出去危险从公式可看出，若想刹前间时比较平稳，应h尽量减小，t尽量增大，同时a也尽量加大所以设计自行车都是两轮间距L较大，座垫高度h不高，且座垫靠近后 轮，这样的设计是合理的刹后闸当刹后闸时，后轮B处发生滑动摩擦，前轮仍转动，补充方程为：(Fa = Z (8)引入？e [oj]twj (7)可变为含参数「的等式：F] = (9)联立〈1) X8)和(9).可再雷n-1/ [□ + « (1 - O] |G4/ + # (1 - MF2 = u Q - [/+〃(]一 ?) J刹后闸时，Fi、F2的分母不可能为零，则Fi为一有限值，所以骑车感觉比较平 稳。
4小结其实骑车的技巧很多，杂技演员所练的骑车功夫让观众惊叹不 已，那也是巧妙地利用了力学原理所以，力学就在我们的日常生活 中，只要注意观察和思考就有助于培养理论联系实际的能力。