自行车上的力学知识

研究性学习

结题报告

报告课题：自行车上的力学知识

课题组成员：张少华、范慧

徐海鹏郑忠峰

课题指导教师：郭锐

2012年3月26日

内容摘要：

通过研究性课题的学习，我们学会了自己发现问题，自己解决问题的良好习惯，大大丰富了我们的思维方法，提高了我们解决实际问题的能力。拓宽了课程的外延，拓展了我们学生学习和体验的领域，能够使我们获得参与探究的亲手体验，激发探究，创新的欲望，了解科学对于自然，社会与人类的意义和价值；而且使我们学生关注人类与环境的和谐发展，形成社会责任感和积极的人生态度。通过研究性学习，开拓了自己的见识，增强了我们团结协作，社会服务的意识，互助合作的意识同时使我们获得了奉献社会的情感体验。

我们为了了解自行车构造上的力学知识，以及解决、探究力学知识的方法，采用了实际观测、了解、询问、上网查询，实验观察、调查研究等诸多方法，来了解自行车上的力学知识的应用，使我们对自行车的力学知识有了更高、更明白的认识，也达到了学而执用的目的。

正文

1、运动原理

自行车的车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等25个部件中，其基本部件缺一不可。其中，车架是自行车的骨架，它所承受的人和货物的重量最大。按照各部件的工作特点，大致可将其分为导向系统、驱动系统、制动系统。

导向系统：由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。乘骑者可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。

驱动（传动或行走）系统：由脚蹬、中轴、牙盘、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。人的脚的蹬力是靠脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动的，从而使自行车不断前进。

制动系统：它由车闸部件组成、乘骑者可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、停驶、确保行车安全。

此外，为了安全和美观，以及从实用出发，还装配了车灯，支架等部件。

脚蹬部件：脚蹬部件装配在中轴部件的左右曲柄上，是一个将平动力转化为转动力的装置。自行车骑行时，脚踏力首先传递给脚蹬部件，然后由脚蹬轴转动曲柄、中轴、链条飞轮，使后轮转动，从而使自行车前进。因此脚蹬部件的结构和规格是否合适，将直接影响骑车人的放脚位置是否合适，自行车的驱动能否顺利进行。

脚踏：可分为整体式脚踏和组合式脚踏。无论什么款式的脚踏都必须有脚踏面，必须安全可靠，具有一定的防滑性能。

车架一般采用普通碳素铜管经过焊接、组合而成。为了减轻管重量，提高强度，较高档的自行车采用低合金钢管制造。为了减少快速行驶的阻力，自行车应该采用流线型的钢管。

由于自行车是依靠人体自身的驱动力和骑车技能而行驶的，车架便成为承受自行车在行驶中所产生的冲击载荷以及能否舒适、安全地运载人体的重要结构体，车架部件制造精度的优劣，将直接影响乘骑的安全、平稳、和轻快。

外胎：分软边胎和硬边胎两种。软边胎断面较宽，能全部裹住内胎，着地面积比较大，能适宜多种道路行驶。硬边胎自重轻，着地面积小适宜在平坦的道路上行驶，具有阻力小，

行驶轻快等优点。

前叉部件：前叉部件在自行车结构中处于前方部位，它的上端与车把部件相连，车架部件与前管配合，下端与前轴部件配合，组成自行车的导向系统。

转动车把和前叉，可以使前轮改变方向，起到了自行车的导向作用。此外，还可以起到控制自行车行驶的作用。前叉部件的受力情况属悬臂梁性质，故前叉部件应该具有足够的强度等性质。

链轮：应该用高强度钢材制成，保证其达到需要的拉力。

飞轮工作原理：当向前踏动脚踏是，链条带动飞轮向前转动，这时飞轮内齿和千斤相含。飞轮的转动力通过千斤传到芯子，芯子带动后轴和后轮转动，自行车就前进了。当停止踏动脚踏板时，链条和外套都不旋转，但后轮在惯性作用下仍然带动芯子和千斤向前转动，这时飞轮内齿产生相对滑动，由此将芯子压缩到芯子的槽口内，千斤又压缩了千斤簧。当千斤齿顶滑到飞轮内齿顶端时，千斤簧被压缩得最多，再稍微向前滑一点，千斤被千斤簧弹到齿根上，发出“嗒嗒”的声响。芯子转动加快，千斤也很快在各个飞轮内齿上滑动，发出“嗒嗒”的声音。当反向踏动脚踏时，外套反向转动，会加速千斤的滑动，使“嗒嗒”声响得更急促。多级飞轮是自行车变速装置中的一个重要部件。

多级飞轮是在单级飞轮的基础上，增加几片飞轮片，与中轴上的链轮结合，组成各种不同的传递比，从而改变了自行车的速度。

链条：链条又称车链、滚子链，安装在连轮和飞轮上。其作用是将脚踏力由曲柄、链轮传递到飞轮和后轮上，带动自行车前进，应该减少链条的宽度，使它与齿轮紧密接触，减少掉链的几率。

2、自行车的力学知识

运动和力的应用

增大和减小摩擦

自行车在行驶的过程中，各个相互接触的部件间产生相对运动，这些地方就存在摩擦。手与车把间摩擦、车轮与地面间摩擦、闸皮与车轮间的摩擦等都是有益摩擦。用摩擦

系数较大的橡胶制作车把上的胶套，在胶套上刻上花纹来增大手与车把间摩擦；在轮胎外壳上刻上花纹来增大车轮与地面间摩擦；，采用增大压力的方法来增大闸皮与车轮间的摩擦。前轴、中轴、后轴、脚蹬、车把与车架间等各个转动部位的摩擦都属于有害摩擦。减小这些有害摩擦的方法是在转动部位安装轴承，利用滚动摩擦代替了滑动摩擦；通过向这些部位加上黄油（钙基润滑脂）或机油进行润滑。摩擦力的大小跟两个因素有关：压力的大小、接触面的粗糙程度。压力越大，摩擦力越大；接触面越粗糙，摩擦力越大。自行车外胎有凸凹不平的花纹，这是通过增大自行车与地面间的粗糙程度，来增大摩擦力的，其目的是为了防止自行车打滑。

自行车的外胎，车把手塑料套、踏板套、闸把套等处均有凹凸不平的花纹以增大摩擦，刹车时，手用力握紧车闸把，增大刹车皮对车轮钢圈的压力，以达到制止车轮滚动的目的，刹车时，车轮不再滚动，而在地面上滑动，变滚动为滑动后，摩擦大大增加，所以车能够迅速制动。

车的前轴，中轴及后轴均采用滚动以减小摩擦。为更进一步减小摩擦，人们常在这些部位加润滑剂。多处刻有凹凸不平的花纹以增大摩擦。

刹车时，车轮不再滚动，而在地面上滑动，摩擦大大增加了，故车可以迅速停驶。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。

轮胎上的花纹：增大摩擦。

刹车皮：增大压力，增加摩擦。

链条和齿轮：增加粗糙程度，加大之间的摩擦。

弹簧的减震作用

车的座垫下安有粗的螺旋状的弹簧，利用它的缓冲作用以减小震动。

轮胎的减震作用：在自行车车胎中充有适量的压缩空气，压缩空气具有很大的压强，可以增强弹性。同时在车的鞍座中装有弹簧，通过弹簧的弹性形变减弱车的震动。通过这些方法可以使自行车骑行平稳，减少颠跛。

压强知识的应用

自行车负重

自行车的车胎上刻有载重量，明确告诉人们不能超载，如车载过量，车胎受力面积不变，则车胎受到太大的压强将被压破。自行车的内胎要充够足量的气体，在气体的体积、温度一定时，气体的质量越大，压强越大。

车座上的物理

座垫呈马鞍型，它能够增大座垫与人体的接触面积以减小臀部所受压强，使人骑车时感到较舒适。

简单机械知识的应用

自行车是一种机械，它由许多的简单机械构成：执行部分中的车把、控制部分中的车闸把、后闸部件中的前曲拐、后曲拐及支架、货架上的弹簧夹、车铃的按钮等部件都属于杠杆。传动部分中的脚蹬与大齿轮盘构成一个动力作用在轮上的省力轮轴，飞轮与后轮则构成一个动力作用在轴上的费力轮轴；执行部分的车把也可以看作一个轮轴。自行车的各个部件是靠螺丝来连接和紧固的，螺丝上的螺旋是一个绕在圆柱体上的斜面。

自行车制动系统中的车闸把与连杆是一个省力杠杆，可增大刹车皮的拉力。另外，链轮牙盘与脚蹬，后轮与飞轮，车龙头与转轴等都是轮轴，利用它们可以省力。自行车的车把相当于一个轮轴，车把相当于轮，前轴为轴，是一个省力杠杆，自行车的脚踏板与中轴相当于一个轮轴，实质为一个省力杠杆。自行车的飞轮也相当于一个省力的轮轴。

另外，刹车把手：省力杠杆，轮盘和脚踏：省力的轮轴。

车把上的闸是省力杠杆，人们用很小的力就能使车闸以比较大的压力压到车轮的钢圈上。自行车的车闸是利用摩擦力使自行车减速和停止前进。当我们使用车闸是，刹皮与车轮间的摩擦力，使车轮停止运动或速度减小，车轮与地面间的摩擦力由滚动摩擦变为滑动摩擦。强大的滑动摩擦力使自行车迅速减速。

能的知识运用

动能和势能的相互转化。骑自行车上坡前，人们往往要加紧蹬几下，使车的速度（动能）增大，“动能冲坡”。以较大的动能转化为较大势能，能够较容易到达坡顶。而骑车下坡时，

不用脚蹬，车速也越来越快，这是势能转化为动能。动能不断增大，所以车速也不断增大。

刹车和惯性

自行车高速行驶特别是下坡时，不能单独用前闸刹车，否则会出现翻车事故，其原因是：前闸刹车，前轮被迫静止。而作为驱动轮的后轮车架和骑车人由于惯性还要保持原有的高速运动的趋势，这时就会以前轮与地面接触处为支点，向前翻转，造成翻车事故。

当人骑自行车前进时，若遇到紧急情况，一般情况下要先捏紧后刹车，然后再捏紧前刹车，或者前后一起捏紧，这样做是为了防止人由于惯性而向前飞出去。

热膨胀知识的运用

在炎热的夏天，车胎内的气不能充得太足，更不能放在烈日下曝晒，因为车胎内的空气受热急。

机械能与内能的转化

用打气筒给车胎打气，过一会儿，筒壁会热起来，这是因为压缩筒内气体和克服活塞与筒壁的摩擦做功，使筒壁内能增加。温度升高，所以筒壁会发热。

坐垫下的弹簧：减小缓冲作用。

3、改进意见

（1）自行车车轮胎、车把套、脚踏板以及刹车块处均刻有一些花纹，增大接触面粗糙程度，增大摩擦力。

（2）自行车的脚踏板应该选用橡胶、塑料或金属材料制造。脚踏必须转动灵活，脚踏板必须做得扁而平，来增大受力面积，以减小它对脚的压强。

（3）所有车轴处均有滚珠，变滑动摩擦为滚动摩擦，来减小摩擦，转动方便。车轴处经常上一些润滑油，以减小接触面粗糙程度，来减小摩擦力。

（4）刹车时，需要纂紧刹车把，以增大刹车块与车圈之间的压力，从而增大摩擦力。

（5）普通闸的制动点在车圈的内侧面也即是刹车摩擦车圈内表面。其摩擦力大，制动效果好，但会对自行车的外胎和刹皮产生大的磨损，使刹车效果变差。若是车缘闸的话，还会对车圈电镀层产生损伤。

（6）车架：为了减轻管重量，提高强度，较高档的自行车采用低合金钢管制造。为了减少快速行驶的阻力，有的自行车还采用流线型的钢管。车架应采用普通碳素铜管经过焊接、组合而成。应制成两端大、中间小的变径辐条，还有为了减少空气阻力将辐条制成扁流线型。

（7）外胎：外胎上的应适当增加花纹增加与地面的摩擦力。

（8）链条：掉链是因为链条太松或者和齿轮的间隙太大，可以适当的缩减链条的长度，拉紧链条。

（9）链轮：用高强度钢材制成，保证其达到需要的拉力。

（10）车脚：自行车的车座做得扁而平，来增大受力面积，以减小它对身体的压强。

通过本次研究，我们认识了自行车上的许多力学知识，认识各个零件的原理，而且还试着改进自行车上许多常见问题。我们尝试着利用所研究的知识，改进自行车上的构造，解决问题这次研究不仅加强了组员之间的协作能力，体现了团结就是力量。更有效的提高了组员们的动手，动脑能力。为以后的学习道路上做成长铺垫。

七、后记

记得第一周开题的时候，当组长与我们确定好课题后，同学们都热情高涨，就好像在长时间的干旱之后，临来了久违的甘露，滋润着我们的心灵。组长分配了各个小组的小组任务后，各个小组都立即分头行动，寻找，搜集。各个小组需要的资料，成员个个都很激情，而且过程轻松高效。此次活动使我懂得了“一份耕耘一份收获”。只要坚持，成功还是有希望的，锲而不舍，金石可镂！我们还要感谢我们的指导老师还有在课外帮助过我们的全体人员，感谢你们给予我们帮助和支持。

2012年3月26日