自行车的物理原理

自行车的物理原理

一些物理原理可以通过自行车的功能来说明。

科技

关键词

自行车, 山地自行车, 力矩, 减震器, 制动, 齿轮, 杠杆臂, 自转轴, 力学, 摩擦力, 秋千, 振动, 望远镜, 技术, 运输, 物理

相关附加项

场景

概况

  • 伸缩式前轮叉
  • V刹
  • 前变速器
  • 后变速器

有几种不同类型的自行车。其中一种是山地自行车,为越野骑行设计。山地自行车有坚固的车架,厚实的车轮,多种可能的齿轮传动比和高效的刹车

山地自行车最具特色的部分是其伸缩式前轮叉可以吸收由不平地面造成的振动。目前制造的山地自行车是过去100多年工程学工作的成果。

变速器-转矩

  • 力臂
  • 后变速盘
  • 齿盘

变速器带来舒适的骑行体验,即使在上坡或者逆风骑行时仍是如此。要了解变速器的工作原理,我们必须知晓转矩的概念。

要让车轮转动,我们需要转矩。转矩的大小不仅取决于作用的大小,还取决于其与转动轴之间的距离

换句话说:转矩力臂的乘积。力臂是力的作用线转动轴之间的距离

相同的力越远的距离作用于转动轴转矩越大。不仅上坡或者逆风骑行时需要更大的转矩,开始踩踏板时也需要更大的转矩。但是,开始踩踏板之后,当车轮转动得足够时,踏板移动太快也让人不适。此时就需要使用变速器来调节齿轮传动比了。

大多数自行车有两个变速器:一个在后轴上,一个在中轴上。当改变齿轮传动比时,两个变速器在相反的状态下工作:如果需要更大的转矩,我们必须选择后变速器上较大的齿轮和前变速器上较小的齿盘。然而,当需要更小的转矩时,即自行车快速平稳地行驶时,齿轮传动比的设置正好相反,因为车轮产生的转矩对踏板施加减速力。通过缩短力臂来减小转矩是可行的,也就是通过转换到后变速器上一个较小的齿轮来实现。

V刹-摩擦力

  • 鲍登线产生的力 (F₂)
  • 上力臂 (F₂)
  • 轮辋和刹车片之间的力(F₁)
  • 下力臂(F₁)
  • 刹车片
  • 轮辋
  • 制动器
  • 鲍登线
  • 制动器的转动轴

如果想让自行车停下来,一个制动转矩必须作用于车轮。以V刹为例,制动转矩由刹车片和轮辋之间的摩擦力产生。但是有些自行车安装了碟刹。以碟刹为例,摩擦力产生于阀瓣刹车片之间。使用这种类型的刹车,更大的力作用于阀瓣,因为阀瓣的直径比轮辋的直径小,所以力臂更短。我们对两个接触面施加的压力越大,产生的摩擦力就越大。还可以通过使用粗糙的表面来增加摩擦力。但是,当轮辋是湿的,或是有油时,刹车效果就不那么好了。

V刹的制动器在我们拉刹车杆时被鲍登线压缩。这导致制动器绕轴转动,将刹车片推向轮辋。制动器被轮辋停止,但是轮辋产生的力的力臂更短,所以无法消除鲍登线产生的转矩。刹车片和轮辋之间的摩擦力就是这样产生的。

减震器-减轻振动

  • 弹簧
  • 减震器
  • 活塞
  • 阀门

伸缩式前轮叉,即减震器,有双重功能。一方面,它吸收不平地面造成的振动,这种振动让骑行者的手臂感觉不适,并且会对手臂造成伤害。另一方面,伸缩式前轮叉保证了更好的抓地力

伸缩式前轮叉通常由弹簧阻尼器构成,有时候,这二者会合为一体。弹簧本身就足以吸收所有的振动,但是由于弹簧的运动,有时候会出现车轮几乎碰不到地面的情况,因此,抓地力变弱

弹簧吸收振动的能力通常是可以调节的。如果弹簧太硬,车轮就会在路面上不停地上下弹跳,也就是说,车轮不会一直保持和路面的接触。但是,如果我们使用太松的弹簧,弹簧的运动就会持续太久,也会导致抓地力减弱。当需要调节减震器时,重点是要在最短的时间内吸收所有振动产生的能量。在减震器内部,油被活塞推向阀门。这样做所需的能量通过振动获取。还有气体减震器。在气体减震器中,气流而非油,通过阀门从一个腔室到另一个腔室。由于可压缩的空气,气体减震器的优点是更容易设置强度,不需要使用弹簧

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