偶而应之
一、问题的提出:自行车发明至今已有200多年的历史.今天,它作为交通代步、锻炼身体、越野旅游、运动比赛以及运送货物(小型)已遍及到世界的每一个角落.它廉价、轻便的特点受到许多人的青睐,进而人们对它的要求也就越来越高.首先,安全性排首位.据相关调查表明,每年因自行车而引起的车祸正以惊人速度增长,所以要如何提高它的安全性是个问题;其次,自行车要如何更加轻便、高效、快速、造价更低廉,这些便成了人们关心自行车的话题.我们课题组主要通过各种方式的调查和研究,了解市场上的自行车,使人们对它有个了解.通过研究自行车中的力学、查阅资料、进行实验,目的就在于探索自行车的构造,以及工作原理,从而对自行车能否改变得更合乎人们的要求这话题找到理论依据. 二、研究目标弄清自行车的构造;探索自行车的杠杆轮轴、摩擦力、气压知识;研究自行车在行驶中为何不会跌倒;分析如何减小有害摩擦力和如何增大有益摩擦. 三、研究的方法 1、研究对象:市场上的自行车 2、研究方向a、杠杆轮轴:包括车把上的闸把、脚蹬、花盘、手把、前叉轴、后轮上的齿轮;b、气压:包括内胎、气门芯;c、摩擦力:包括车轮与地面的、刹车块与车轮之间的、轮轴中的;d、自行车在行驶中为何不会跌倒. 3、研究步骤:a、分析研究课题b、实地考查、收集资料c、进行实验d、组员讨论、得出结论、提出设想四、研究的结果与分析 〈一〉具体的自行车部件: 1、车架部件车架部件是构成自行车的基本结构体,也是自行车的骨架和主体,其他部件也都是直接或间接安装在车架上的。 车架部件的结构形式有很多,但总体可以分为两大类:即男式车架和女式车架。 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,有的自行车还采用流线型的钢管。 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。一般辐条是等径的,为了减轻重力,也有制成两端大、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 。 2、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。 外胎上的花纹是为了增加与地面的摩擦力。山地自行车的外胎宽度特别宽,花纹较深也是适应越野山地用。 3、脚蹬、脚踏脚蹬部件: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D:加速阻力:只是在加速时产生的。 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,可以选用橡胶、塑料或金属材料制造。脚踏必须转动灵活。 4、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,故前叉部件必须具有足够的强度等性质. 5、链条、链轮: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。 链轮:用高强度钢材制成,保证其达到需要的拉力。 6、飞轮飞轮以内螺纹旋拧固定在后轴的右端,与链轮保持同一平面,并通过链条与链轮相连接,构成自行车的驱动系统。从结构上可分为单级飞轮和多级飞轮两大类。 单级飞轮又称为单链轮片飞轮,主要由外套、平挡和芯子、千斤、千斤簧、垫圈、丝挡几钢球等零件组成。 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。 7、车闸 车闸:是保证骑乘者安全的结构,按制动点的位置来分,可以分为轮缘闸和轴闸两大类,最常见的是轮缘闸。 轮缘闸是一种通过机械杠杆、推杆、拉杆或钢丝绳等直接将高摩擦因素的闸皮压向车圈边缘后轮胎,将转动中的车轮刹停的装置。 轮缘闸结构简单,维修保养方便,因此被广泛使用。但是,如果接触车圈轮缘不正,或雨水淋湿的影响,会降低摩擦,从而影响制动的效果。常见的有: 普通闸: 优点为接触面合理,制动力矩大,制动灵敏,刹车性能可靠,结构简单和安装修理方便。 钳形闸:当刹车时,其左右闸叉和闸皮就像钳子一样,紧紧地钳住车圈的两个端边,达到使车减速或停的目的。优点是刹车时力臂大,制动效果好,传动零件少,调节和维修方便,重力轻,外形美观。 悬臂闸: 优点为悬臂闸刹车时的力矩比钳形闸更大,制动性能好,结构简单,重力轻,调节和维修方便。 前触闸:前触闸是靠杠杆原理制动的。当手握紧闸把时,闸把的另一头将接头、拉杆、拉管向下压,使闸皮向下压至与轮胎接触,产生摩擦制动力。其缺点是刹车效果与轮胎充气程度有关。充气不足时,会使摩擦力减小,影响刹车效果。 脚闸: 优点为由于刹车是用脚力的,所以在脚闸上产生的正压力越大,刹车效果越好。 闸的优点:刹车的制动点不在轮缘上,不会损坏车圈的电镀层。 8、鞍座 鞍座的长度、宽度的鞍梁的结构是以车型和乘骑者的性别、习惯来确定。鞍座的结构设计应充分考虑乘骑者舒适。它依靠鞍管与车架作钢性连接,用来承受人体的重量。具体来说: 鞍座面:是人体体重的支撑面,具有良好的强度和弹性,它由鞍座面皮和垫皮组成。 鞍座架:又称鞍梁,是鞍座的主体,其结构比较复杂,一般由前后撑板,左右鞍撑,上下梁组成,并连接和支撑鞍面。 鞍座簧:实质上是鞍座架的一部分。它支撑着鞍座架和鞍座面,起着缓冲和减震的作用。鞍座簧的形式有立簧、卧簧和拉簧等几种。 鞍座夹:又称鞍座卡,是由夹紧螺钉,座夹和夹板等组成,用来将鞍座固定在鞍簧上。 <二>杠杆、轮轴知识 1、自行车上的杠杆: a、控制前轮转向的杠杆:自行车的车把,是省力杠杆,人们用自行车的前轮来控制自行车的运动方向和自行车的平衡. b、控制刹车闸的杠杆:车把上的闸把,是省力杠杆,人们用很小的压力压到车轮的钢圈上. 2、自行车的轮轴: a、中轴上的脚蹬和花盘齿轮:组成省力轮轴(脚蹬半径大于花盘). b、自行车手把与前叉轴:组成省力轮轴(手把转动的半径大于前轮). c、后轴上的齿轮与后轮:组成费力轮轴(齿轮半径小于后轮半径). <三> 自行车上的气压知识 a、自行车内胎充气:早期的各种轮子都是木轮、铁轮,颠簸不已.气内胎主要是使胎内的压强增大,可以起到缓冲的作用,同时可以减力. b、气门芯的作用:充气内胎上的气门芯起着单向阀门的作用,方便进气,保证充气内胎的密封. C、应用: (1)自行车车胎上刻有载重量。如车载过重,则车胎受到压强太大而被压破。 (2)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,使人骑车不易感到疲劳。 <四〉摩檫力的知识 摩擦力就是接触阻碍或帮助物体运动的力,它的大小和接触面的粗糙程度、压力的大小有关.在压力相同的情况下,摩擦阻力越小,小车滑得更远,但并不是摩擦力越小越好,当摩擦力小到没有的时候,可以想自行车在光滑没有摩擦力的情况下,轮子会原地打转而不会向前.故自行车外胎的表面是凹凸不平的花纹就是为了增大摩擦力的.如果轮胎表面越粗糙,摩擦力越大,行驶过程中越安全. 摩擦力不仅对自行车的启动很重要,而且对自行车的制动也很关键.当它在链条驱动下,后轮逆时针转动时,轮胎与地面接触处于对地面有向后运动的趋势,所以地面对后轮胎施加向前的力,成为自行车向前运动的力.在此力的作用下,自行车整体具有向前运动的趋势,而地面对前轮产生向后的摩擦力便沿着后轮胎相同的方向转动起来,使得自行车向前运动.当自行车刹车时,人捏刹车柄,使刹车线带动刹车块与轮胎靠紧,产生摩擦力使自行车减速,最终停下来. 自行车上增大摩擦的方法: 1、增加接触面积与粗糙程度来增大摩擦; 2、用加压的方法来增大摩擦. 自行车上减小摩擦的方法: 1、利用滚动摩擦代替滑动摩擦; 2、给某些部件加润滑剂,如:在轴中经常上油。 自行车在行驶时为何不会跌倒,说明了一个科学道理:任何物体绕自身高速转动起来,由于转动的惯性,会保持转动轴线的方向不变,而且旋转得越快,保持旋转方向不变的能力也越强.自行车的前轮和后轮在行驶时,就是两个迅速转动的物体,也有保持转动轴方向不变的人力,这个能力就使自行车不会倒下.另外,当车要倒下时,人会本能地调正车轮方向保持平衡。自行车的这些力学原理在生活中应用很广泛,我们不仅要巧用它们,还要善用它们.近几年来,人们又研究出了一些提高自行车稳定性的部件,例如:避震前叉:车胎充足气后,车轮与道路的接触面积小,摩擦阻力相应减小,使得行驶较轻松。但是,一旦遇上高低不平的道路,就会颠簸不稳,特别是前叉震动更加厉害。采用避震前叉可以起到以下一些作用:将车架和前轮弹性的连接在一起,可吸收并缓解因路面不平而传递给车架的冲击和震动,保持乘骑舒适和平稳。由于减震装置具有缓冲作用,可以避免某些零件因过分震动而损坏。减震装置能传递垂直力,驱动力,侧向力以及相应产生的力矩,确保骑行舒畅。自行车美利达还可以,GOGO自行车也不错。