自行车的受力分析

工作原理
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在我们蹬脚踏 时，我们的蹬力带 动前齿轮转动。前 齿轮带动车链转动， 车链又带动后齿轮 转动，再由后齿轮 带动后轮转动。后 轮转动时，受到向 前的摩擦力作用， 推动自行车前进。
丌同状态时的受力分析
状态一：静止
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人与车的重力与地面对车的支持力平 衡。
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自行车的前后轮都相对于地面 作纯滚动，但是它们受力情况不同。
状态五：刹车
• 日常生活中， 常有骑自行车的人 在急刹车时车体出 现前翻、打横、或 前翻与打横的现象。 特别对刚学会骑自 行车的人在北方冬 天较光滑的冰雪路 面更是难于行驶。 这些现象是怎样产 生的，又该怎样避 免呢？ 我们试图对 刹车时的现象进行 力学分析，希望对
丌同刹车方式产生丌同现象
在有摩擦的水平面上沿直线行驶 时。如果捏前闸，质心较高较靠前， 地面与车摩擦较大时．车较易前翻； 如果捏后闸．质心较低，地面与车 摩擦较小时，车不易前翻； • 如果人体相对车不变位置时，捏 前闸较捏后闸车更易前翻． • 在摩擦较小(如冰雪路面)水平面上，且前后轮不 在一直线上前进，此时刹车易出现车打横．捏前闸 比捏后闸更易打横。前后轮轴速度方向的间距(车与 路面的摩擦力作用线之间间距)越犬，刹车时更易打 横、放平。 •
式中
f
0,1
，则（3） （4）
F1联立（1）、（2）、（4），解得 f l a1 G /l fh1
F f a fhG /l fh1
（5）
刹车前闸时，式（5）中分母有 可能为零，从而 F1 趋于无穷大， 所以骑车人可以感觉到猛烈的冲击。
后轮刹车
• 刹车时，刹皮不车圀间的摩擦力，会阻碍后轮的 转动。手的压力越大，刹皮对车圀的压力就越大，产 生的摩擦力也就越大，后轮就转动的越慢。如果完全 刹死，后轮不地面之间的摩擦由滚动摩擦变为滑动摩 擦力，且方向向后，阻碍自行车的运动，因此自行车 会停下来。
刹车后闸
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当刹车后闸时，后轮B处发生滑动摩擦，前轮仍转 动，补充方程为 F1 fN1 (7) F2 fN 2 (8) 0,1 引入参数 ，则（3）可变为含参数的等式： F1 fN1 （9） F 联立（1）、（8）、（9），解得 f l a1 G /l fh1
F F 若 1 , 必a fh ＜0，即 2 F2 fN 2 N，那么 ＜ 2 ＜0，由 0，这意味着后轮不着地，整个 系统以A为支点转动，则打横甩 尾，人就有可能被甩出去。
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• 从公式可以看出，若想刹前闸时比较平稳， 应h尽量减小，l尽量增大，同时a也尽量增大。 所以设计自行车都是两轮间距l较大，坐垫高度 h不高，且坐垫靠近后轮，这样设计是合理的。
丌同刹车方式产生丌同现象
当需要紧急刹车时，如果刹车前闸，身体 会受到猛烈的冲击。若车速很快或者车较轻， 自行车还有可能猛甩一下。而刹车后闸则比 较平稳，震动不大。所以一般推荐使用后闸。
具体受力分析
• 如把人看成一个系统，分析刹车瞬间的受力情况， N1 N 2 F 、 如上图所示。A、B两点分别受到地面支反力 1 F2 和 G 摩擦阻力 、 的作用。系统质心在C点， 为总质 量，Fx为刹车时系统受到的惯性力，则系统的平衡方 X 0 Y 0 M A (F ) 0 程为（1）
状态三：匀速前进
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
匀速时，车受力平衡。人踩的力和车轮不 地面的摩擦力相互抵消。后轮不地面相对向后 运动，所以摩擦力向前。前轮作为从动轮，摩 擦力向后。 • 前后轮受到的摩擦力大小相等，方向相反。 •
状态三：匀速爬坡
• • 匀速前进的水平方向 下坡的垂直斜面方向
• 爬坡过程
合
选择性综
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具体分析留给有兴趣滴孩纸~~
后轮
• 后轮作为主动轮， 是整个车体的驱动部 分。其受力分析如下 图所示：
后轮在车轴的部分有一个经过传 导得到的来自于人的力偶M1； 地面对车轮的力系是一个平面 力系，可以简化为一个力偶M2， 以及滚动摩擦力FS，因为摩擦 力的方向是与物体相对运动趋 势相反,主动轮动起来时,轮子最 下面一点与地面接触.此点相对 于地面来说是向后运动的，所 以地面给后轮的滚动摩擦力向 前,这个滚动摩擦力FS就是推动 整个车向前的动力。
图2
前轮
• 对前轮进行受力分析。 如下图所示： • • 前轮作为从动轮本 身不会自发 运动,但 后轮动了，整个车身 必然向前动起来(包括 不会自发运动的前轮)。 因为地面不会动,那么 前轮相对地面来说向 前运动，所以地面给 前轮的摩擦力向后。
图3
状态二：起动
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起动（或加速）时，轮速大于车速，后轮是自行 车前进的动力来源，所以后轮是主动轮。在接触面， 后轮相对于地面向后运动，所以摩擦力向前，后轮 和车会做加速运动。前轮是从动轮，受到的摩擦力 向后。
• • F1 F2 Fx 0 即
N1l Fx h Ga 0
N1 N 2 G 0
刹车前闸
当刹车前闸时，假设前轮突然停止转动即产生滑 动摩擦，后轮仍转动，补充方程为： • (2) F1 fN1 • F2 fN 2 • (3) • • • • • • 为摩擦系数。引入参数 F fN 2 可变为含参数 2的等式：
自行车的受力分析
自行车不生活
• 自行车是我们日常 生活中极其 常见的 一种交通工具。 据统计目前中国有大约 七亿辆自行车。 • 骑自行车是当下户外活 动的热门交通方式，它丌 仅有益身心健康，更体现 了环保、自然的生活理念。 • 简单的自行车中含有许 多的物理知识，现在我们 将对自行车做受力分析。 •
状态四：下坡
下坡不踩踏板 当骑行者不再踩踏板的 时候，后轮的速度小于 车速。因此，后轮随车 的向前运动而转动，两 个轮子都变成了“从动 轮”。在接触面，后轮 与地面相对向前运动， 所以摩擦力方向向后。 前轮始终向后。
滑下过程中
前后轮所受摩擦力均向后， 故整个车体受到的摩擦力为 与运动方向相反的阻力。
1
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F2 f a fh G /l fh1 F1 F2
刹后闸时 ， ，的分母丌可能为零，则为一有限
写在最后
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篇一 • 我们已经分析了自 行几种基本运动状态时 的受力情况，有兴趣的 孩纸可对自行车转向， 囿周运动，腾空等等较 为复杂的运动进行分析。 •
写在最后
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篇二 • 我们选取的自行车是 较大众的传统自行车，还 是在平整的公路上慢速行 驶。对于公路赛，山地车 等自行车的分析，会考虑 车身各部件的受力情况， 可能涉及强度校核等。