搜狗做题网谁能够告诉我自行车的物理原理
来源：学生作业帮 编辑：搜狗做题网作业帮 分类：物理作业 时间：2024/04/20 06:51:21
谁能够告诉我自行车的物理原理
自行车的原理是通过人的脚对脚蹬施加力,从而通过曲柄带动链轮的转动,链轮又通过链条带动飞轮的转动,飞轮进而后轮转动.由于后轮与地面的摩擦力,使得后轮与地面不会相对滑动,而后轮在地面上滚动,整个车子就运动起来了.
通过对自行车的仔细的受力与动力学分析,可以发现,对于自行车来说,匀速运动是不存在的.就拿前轮来分析,由于轮子的对称性,前轮的质心在它的中心,而在运动中,自行车前轮必然会受到地面的阻力,这个力不过前轮的中心,也就是不过前轮的质心,而车架通过前轴对前轮的力必然会过质心,这样一来,前论受到的合外力矩必然不会为0,前轮不会匀速的转动.骑自行车的时候,脚也不是一直都在用力蹬脚蹬,当脚用力蹬脚蹬时,车子就会加速,当不太用力时,车子又会减速,实际的骑自行车的过程就是交替地加速减速.
自行车中的各个轮子尺寸不是随意的,除了从美观的角度考虑,还要受到物理规律的制约.现在从物理学的角度对自行车中的各个轮子尺寸作出分析.
假设脚蹬到中轴的距离为R1,链轮的半径为R2,飞轮的半径R3,后轮的半径为R4.脚蹬,曲柄,链轮的整体转动惯量为I1,飞轮,后轮的整体转动惯量I2.定义自行车速率与脚蹬速率的比值为速率效率.假设脚蹬的速率为V0
由脚蹬与链轮的角速度必须相等,飞轮与后轮的角速度必须相等,链轮与飞轮的苏联相等可以推出车子的速度V=V0*R2R4/R1R3 [1]
再假设地面给后轮的摩擦力为f,链条给后轮的作用力为f‘,人蹬脚蹬的力F.后轮的角加速度为B,前轮的角加速度为B‘
B*R3=B‘*R2
对脚蹬,曲柄,链轮的整体,
FR1- f‘R2=I1B’
对飞轮,后轮的整体,
f‘R3- f R4=I2B
解得；F= f*R2R4/R1R3+I1BR3/R1R2+I2BR2/R1R3
我们可以把它分成几个部分来考虑,克服地面摩擦的力f*R2R4/R1R3,克服脚蹬,曲柄,链轮的转动惯量的力I1BR3/R1R2,克服飞轮,后轮的转动惯量的力I2BR2/R1R3.
现利用控制变量的思路对自行车中的各个轮子尺寸进行讨论.
当其他量一定时,R1越大,克服地面摩擦的力和克服飞轮,后轮的转动惯量的力越小,但是速率效率就越小[即脚蹬的速率一定时,自行车的速率越小],而且R1越大时,I1就会越大,克服脚蹬,曲柄,链轮的转动惯量的力不一定会变小.
当其他量一定时,R2越大,速率效率就越大,克服脚蹬,曲柄,链轮的转动惯量的力越小,但是克服地面摩擦的力和克服飞轮,后轮的转动惯量的力就会越大.
当其他量一定时,R3越大,克服地面摩擦的力和克服飞轮,后轮的转动惯量的力就会越小,但是速率效率就越小,克服脚蹬,曲柄,链轮的转动惯量的力越大.
当其他量一定时,R4越大,速率效率就越大,但是克服地面摩擦的力越大.
综上所述,自行车中的各个轮子尺寸除了从美观的角度考虑,还要受到物理规律的制约
通过对自行车的仔细的受力与动力学分析,可以发现,对于自行车来说,匀速运动是不存在的.就拿前轮来分析,由于轮子的对称性,前轮的质心在它的中心,而在运动中,自行车前轮必然会受到地面的阻力,这个力不过前轮的中心,也就是不过前轮的质心,而车架通过前轴对前轮的力必然会过质心,这样一来,前论受到的合外力矩必然不会为0,前轮不会匀速的转动.骑自行车的时候,脚也不是一直都在用力蹬脚蹬,当脚用力蹬脚蹬时,车子就会加速,当不太用力时,车子又会减速,实际的骑自行车的过程就是交替地加速减速.
自行车中的各个轮子尺寸不是随意的,除了从美观的角度考虑,还要受到物理规律的制约.现在从物理学的角度对自行车中的各个轮子尺寸作出分析.
假设脚蹬到中轴的距离为R1,链轮的半径为R2,飞轮的半径R3,后轮的半径为R4.脚蹬,曲柄,链轮的整体转动惯量为I1,飞轮,后轮的整体转动惯量I2.定义自行车速率与脚蹬速率的比值为速率效率.假设脚蹬的速率为V0
由脚蹬与链轮的角速度必须相等,飞轮与后轮的角速度必须相等,链轮与飞轮的苏联相等可以推出车子的速度V=V0*R2R4/R1R3 [1]
再假设地面给后轮的摩擦力为f,链条给后轮的作用力为f‘,人蹬脚蹬的力F.后轮的角加速度为B,前轮的角加速度为B‘
B*R3=B‘*R2
对脚蹬,曲柄,链轮的整体,
FR1- f‘R2=I1B’
对飞轮,后轮的整体,
f‘R3- f R4=I2B
解得；F= f*R2R4/R1R3+I1BR3/R1R2+I2BR2/R1R3
我们可以把它分成几个部分来考虑,克服地面摩擦的力f*R2R4/R1R3,克服脚蹬,曲柄,链轮的转动惯量的力I1BR3/R1R2,克服飞轮,后轮的转动惯量的力I2BR2/R1R3.
现利用控制变量的思路对自行车中的各个轮子尺寸进行讨论.
当其他量一定时,R1越大,克服地面摩擦的力和克服飞轮,后轮的转动惯量的力越小,但是速率效率就越小[即脚蹬的速率一定时,自行车的速率越小],而且R1越大时,I1就会越大,克服脚蹬,曲柄,链轮的转动惯量的力不一定会变小.
当其他量一定时,R2越大,速率效率就越大,克服脚蹬,曲柄,链轮的转动惯量的力越小,但是克服地面摩擦的力和克服飞轮,后轮的转动惯量的力就会越大.
当其他量一定时,R3越大,克服地面摩擦的力和克服飞轮,后轮的转动惯量的力就会越小,但是速率效率就越小,克服脚蹬,曲柄,链轮的转动惯量的力越大.
当其他量一定时,R4越大,速率效率就越大,但是克服地面摩擦的力越大.
综上所述,自行车中的各个轮子尺寸除了从美观的角度考虑,还要受到物理规律的制约