第二講自行車中的物理

1、二、自行車中的物理知識1.自行車簡介自行車，又稱腳踏車或單車，通常是二輪的小型陸上車輛。自行車，又稱腳踏車或單車，通常是二輪的小型陸上車輛。人騎上車后，以腳踩踏板為動力，是綠色環(huán)保的交通工具。人騎上車后，以腳踩踏板為動力，是綠色環(huán)保的交通工具。英文英文bicyclebicycle。其中。其中bibi意指二，而意指二，而cyclecycle意指輪，即兩輪車。意指輪，即兩輪車。在中國內地、臺灣、新加坡，通常稱其為在中國內地、臺灣、新加坡，通常稱其為“自行車自行車”或或“腳踏車腳踏車”；在港澳則通常稱其為；在港澳則通常稱其為“單車單車”（其實粵語通（其實粵語通常都這么稱呼）；而在日本稱為常都這么稱呼

2、）；而在日本稱為“自転（轉）車自転（轉）車”。1.1山地車的由來山地車山地車, ,起源于美國起源于美國, ,19741974年年, ,Gary Fisher Gary Fisher 、Charlie KellyCharlie Kelly、Tom Tom RitcheyRitchey想要一輛可以在公路外騎行的自行車，遠離想要一輛可以在公路外騎行的自行車，遠離“警察、汽車和建警察、汽車和建筑物筑物”，于是他們開始將配件和摩托車部件安裝到二戰(zhàn)前結實的單沙，于是他們開始將配件和摩托車部件安裝到二戰(zhàn)前結實的單沙灘車上。灘車上。同一年，同一年，Gary FisherGary Fisher和他的朋友們無懼死

3、亡的和他的朋友們無懼死亡的“塔馬爾帕斯山之行塔馬爾帕斯山之行”為全新騎行風格的誕生鋪平了道路。隨著為全新騎行風格的誕生鋪平了道路。隨著 Gary Fisher Gary Fisher 在山地領域引在山地領域引起的巨大反響，他的起的巨大反響，他的 Klunker Klunker 隨后被隨后被 Mountain Bike Action Mountain Bike Action 雜志評雜志評選為選為“歷史十大山地車歷史十大山地車”之一。之一。19761976年年Charlie KellyCharlie Kelly開始推動煥然一新的下坡賽，這是第一個偉大的開始推動煥然一新的下坡賽，這是第一個偉大的山地

4、自行車活動。山地自行車活動。Charlie KellyCharlie Kelly委托制商委托制商 Joe Breeze Joe Breeze 設計并開發(fā)越設計并開發(fā)越野自行車，這是有史以來制造的第一批野自行車，這是有史以來制造的第一批“山地自行車山地自行車”并命名為并命名為“Breeze”“Breeze”。Joe BreezeJoe Breeze以以BreezeBreeze為原型在為原型在19771977年至年至19781978年之間完成設計和制造了年之間完成設計和制造了9 9個系列的車型，個系列的車型，BreezeBreeze的原型車現在在美國史密森學會的國家博物館的原型車現在在美國史密森學

5、會的國家博物館收藏。收藏。前叉為越野而生為越野而生避震避震彈簧叉彈簧叉阻力叉阻力叉油簧叉油簧叉油氣叉油氣叉前叉相同類型的前叉，除了使用的材相同類型的前叉，除了使用的材料跟重量，最大的差別就在油控料跟重量，最大的差別就在油控阻尼的不同。阻尼的不同。 舉例來說，相同行程的氣壓的前舉例來說，相同行程的氣壓的前叉，若使用相同的油控阻尼，那叉，若使用相同的油控阻尼，那除了材料不同而產生的重量差與除了材料不同而產生的重量差與制程公差的控制之外，在騎乘感制程公差的控制之外，在騎乘感覺方面并沒有差異，因此油控阻覺方面并沒有差異，因此油控阻尼可以說是前叉最具價值的一部尼可以說是前叉最具價值的一部分。分。 在選購

6、前叉時，它的油控阻在選購前叉時，它的油控阻尼機制應該是你的第二考慮阻尼尼機制應該是你的第二考慮阻尼都是利用油的黏滯特性，可參考都是利用油的黏滯特性，可參考下圖，當阻尼活塞在前叉作動時，下圖，當阻尼活塞在前叉作動時，上面只有一些孔隙可以讓油通過，上面只有一些孔隙可以讓油通過，當油要擠進這個孔隙當油要擠進這個孔隙彈簧前叉1.1.彈簧前叉彈簧前叉: :工作原理：胡克定律工作原理：胡克定律單純的彈簧前叉在專業(yè)山地車單純的彈簧前叉在專業(yè)山地車中已經不常見了。中已經不常見了。彈簧前叉加入油阻尼，就變成彈簧前叉加入油阻尼，就變成為油簧前叉。這樣做可以讓前為油簧前叉。這樣做可以讓前叉緩慢回升，利于騎行。叉緩慢

7、回升，利于騎行。kxFN氣壓前叉2.2.氣壓前叉氣壓前叉: :波義爾定律來解釋波義爾定律來解釋P1V1=P2V2P1V1=P2V2其中，設其中，設P1P1為前叉未受壓縮時為前叉未受壓縮時氣室內的壓力，而氣室內的壓力，而V1V1即為此時的氣室體積，即為此時的氣室體積，而而P2P2為前叉受壓產生為前叉受壓產生tt的壓縮量時氣室的壓縮量時氣室內的壓力，內的壓力，V2V2為此時的氣室體積。為此時的氣室體積。 而氣室內氣壓對活塞而氣室內氣壓對活塞(piston)(piston)的正向的正向( (在上圖中為向下在上圖中為向下) )作用力作用力F F，可表示，可表示為為 F = PA,A F = PA,A為

8、活塞的表面積為活塞的表面積. .而氣室的體積而氣室的體積 V V 又可寫為又可寫為, ,V = LA V = LA 將上兩將上兩式帶入可得式帶入可得,F1 ,F1 * * L1 = F2 L1 = F2 * * L2 L2 壓縮后的氣室長壓縮后的氣室長L2L2即為原長即為原長L1L1減去壓縮減去壓縮量量tt，而壓縮前叉的力，而壓縮前叉的力F F則為則為F2F2減去減去F1F1，等于，等于F =(F1F =(F1* *L1/(L1-t)-F1 L1/(L1-t)-F1 =F1=F1* *(t/(L1-t)(t/(L1-t), ,從上面這個公式我們可以發(fā)現當分子從上面這個公式我們可以發(fā)現當分子tt

9、，即彈簧壓，即彈簧壓縮量，增加時，分母項也同時減少，因此當前叉越受壓縮，它抵抗壓縮的縮量，增加時，分母項也同時減少，因此當前叉越受壓縮，它抵抗壓縮的力量會非線性的快速增加。力量會非線性的快速增加。 以前面的例子來說，假設使行程壓縮以前面的例子來說，假設使行程壓縮2 2公分需施力公分需施力2020公斤，當彈簧要有公斤，當彈簧要有4 4公公分的行程壓縮則可能要有分的行程壓縮則可能要有6060公斤的力。公斤的力。 車架車架：車架：15/1615/16寸：適合身高：寸：適合身高：150cm-165cm150cm-165cm；17/1817/18寸：適合身高：寸：適合身高：165cm-175cm165c

10、m-175cm；19/2019/20寸：適合身高：寸：適合身高：175cm-185cm175cm-185cm；21/2221/22寸：適合身高：寸：適合身高：185cm-195cm185cm-195cm：15”/17”/19”/21”:15”/17”/19”/21”:為亞洲人設計車型為亞洲人設計車型16”/18”/20”/22”:16”/18”/20”/22”:為歐洲人設計車型為歐洲人設計車型車架車架材質從最早的鉻鉬鋼、進化到鋁合金、然后車架材質從最早的鉻鉬鋼、進化到鋁合金、然后是復合材料的運用如碳纖維，其他還有鈧合金、是復合材料的運用如碳纖維，其他還有鈧合金、鎂合金、鈦合金等，業(yè)者不斷研發(fā)新

11、材料配方，鎂合金、鈦合金等，業(yè)者不斷研發(fā)新材料配方，提升管件與結構設計能力并創(chuàng)新加工技術，只為提升管件與結構設計能力并創(chuàng)新加工技術，只為了讓車架更輕、更強、更舒適且更流線美觀。了讓車架更輕、更強、更舒適且更流線美觀。密度是決定車架重量的關鍵因素之一，密度愈低，密度是決定車架重量的關鍵因素之一，密度愈低，車架可以做到愈輕，鉻鉬鋼的密度為車架可以做到愈輕，鉻鉬鋼的密度為7.97.9，鋁合金，鋁合金為為2.6-2.92.6-2.9，鈦，鈦4.54.5，鈦合金，鈦合金4.3-5.14.3-5.1，碳纖維復材，碳纖維復材1.61.6，鎂合金，鎂合金1.71.7，由此可知鉻鉬鋼的密度最高，由此可知鉻鉬鋼的

12、密度最高，碳纖復材最低。碳纖復材最低。然而車架除了重量外，還要考慮拉伸強度，彈性然而車架除了重量外，還要考慮拉伸強度，彈性系數等，所以雖然密度低，但強度不夠也不行。系數等，所以雖然密度低，但強度不夠也不行。鉻鉬鋼自行鉻鉬鋼自行車車優(yōu)點優(yōu)點1.1.易加工易加工2.2.壽命長壽命長3.3.乘騎感舒乘騎感舒適適缺點缺點1.1.太重太重2.2.容易生銹容易生銹鋁合金山地車，優(yōu)點：輕便，不易腐蝕鋁合金山地車，優(yōu)點：輕便，不易腐蝕 缺點：彈性率低，需要高熱處理，要用粗金屬管缺點：彈性率低，需要高熱處理，要用粗金屬管碳纖維公路車，優(yōu)點：輕，不彎曲，吸收沖擊力能力好碳纖維公路車，優(yōu)點：輕，不彎曲，吸收沖擊力能

13、力好 缺點：會老化，成本高，斷裂無法修復缺點：會老化，成本高，斷裂無法修復自行車坐墊目前自行車的坐墊大概可分為兩種：目前自行車的坐墊大概可分為兩種：1. 1. 窄型細長的硬座墊，這種窄型的硬坐墊常見于運動型窄型細長的硬座墊，這種窄型的硬坐墊常見于運動型單車，是設計給高速巡航用的。踩踏速度快時寬的坐墊容單車，是設計給高速巡航用的。踩踏速度快時寬的坐墊容易摩擦大腿內側而疼痛，也影響踩踏動作所以設計細長而易摩擦大腿內側而疼痛，也影響踩踏動作所以設計細長而窄。軟的坐墊無法穩(wěn)穩(wěn)撐住身體影響踩踏效率，屁股就像窄。軟的坐墊無法穩(wěn)穩(wěn)撐住身體影響踩踏效率，屁股就像陷在沙發(fā)一樣，軟座墊與屁股接觸面積大，踩得快屁股

14、一陷在沙發(fā)一樣，軟座墊與屁股接觸面積大，踩得快屁股一直動反而因為過多的摩擦而疼痛，硬質坐墊比較適合快速直動反而因為過多的摩擦而疼痛，硬質坐墊比較適合快速的踩踏動作。的踩踏動作。2. 2. 寬大而軟的舒適型座墊，這樣的座墊較常見于入門車寬大而軟的舒適型座墊，這樣的座墊較常見于入門車種或休閑取向的單車，是設計給慢速巡航用的。寬大的設種或休閑取向的單車，是設計給慢速巡航用的。寬大的設計能讓座墊跟屁股之間有較大而平均的支撐面積，軟質的計能讓座墊跟屁股之間有較大而平均的支撐面積，軟質的座墊能提供較佳的舒適度，由于休閑取向的踩踏動作，不座墊能提供較佳的舒適度，由于休閑取向的踩踏動作，不須考慮寬而軟的坐墊不

15、適合高速踩踏的因素。須考慮寬而軟的坐墊不適合高速踩踏的因素。普通自行車坐墊大而柔軟，大而柔軟，坐起來舒坐起來舒適適山地車坐墊窄而長窄而長感覺不舒感覺不舒適適公路車坐墊更窄更長更窄更長主要分為三類：V剎，碟剎，油壓碟剎V剎系統(tǒng)平時最為常見的剎車系統(tǒng)，拉線帶動卡鉗內的剎車皮與車平時最為常見的剎車系統(tǒng)，拉線帶動卡鉗內的剎車皮與車圈摩擦來剎車，優(yōu)點簡單易調，缺點效果一般易磨損圈摩擦來剎車，優(yōu)點簡單易調，缺點效果一般易磨損碟剎系統(tǒng)碟剎：拉線帶動卡鉗內的剎車片與碟盤摩擦，但是拉線剎車力度有限碟剎：拉線帶動卡鉗內的剎車片與碟盤摩擦，但是拉線剎車力度有限油壓碟剎：活塞壓縮油液，帶動剎車片與碟盤摩擦，剎車力更強

16、，但成油壓碟剎：活塞壓縮油液，帶動剎車片與碟盤摩擦，剎車力更強，但成本高，密封要求高本高，密封要求高輪組公路車輪組：輪胎細，法蘭花鼓公路車輪組：輪胎細，法蘭花鼓額外寬額外寬山地車輪組：胎面粗，花紋深，山地車輪組：胎面粗，花紋深，摩擦力足，提供很大的彈力摩擦力足，提供很大的彈力變速傳動傳動系統(tǒng)“齒比齒比 = = 前大盤齒數前大盤齒數 / / 后飛輪齒數后飛輪齒數”，基本上自行車齒輪加鏈自行，基本上自行車齒輪加鏈自行車變速系統(tǒng)條的傳動系統(tǒng)的作用是車變速系統(tǒng)條的傳動系統(tǒng)的作用是“將車手踩踏的能量將車手踩踏的能量 （馬力）轉（馬力）轉換成輪胎的扭力換成輪胎的扭力”。“速度速度”由最大齒比（前大盤最大齒

17、片對應后飛輪最小齒片）決定，由最大齒比（前大盤最大齒片對應后飛輪最小齒片）決定，在同樣踩踏回轉數時，齒比越大，速度越快。例如一般在同樣踩踏回轉數時，齒比越大，速度越快。例如一般2727速登山車最速登山車最大齒比為大齒比為“前前44T44T，后，后11T11T，齒比，齒比 = 4”= 4”，車手踩一圈輪子會轉，車手踩一圈輪子會轉4 4圈，圈，速度最快但輪圈扭力最小，相對的車手踩踏的力道要最大，才能維持速度最快但輪圈扭力最小，相對的車手踩踏的力道要最大，才能維持使車子前進所需的扭力。使車子前進所需的扭力?！芭榔屡榔隆睍r用最小齒比（前大盤最小齒片對應后飛輪最大齒片），爬時用最小齒比（前大盤最小齒片對

18、應后飛輪最大齒片），爬坡的時候，車手不但要維持車子前進，同時還要上升高度，這個時候坡的時候，車手不但要維持車子前進，同時還要上升高度，這個時候需要增加扭力，在維持同樣踩踏回轉數的前提下，降低齒比有提高輪需要增加扭力，在維持同樣踩踏回轉數的前提下，降低齒比有提高輪胎扭力，例如一般胎扭力，例如一般2727速登山車最小齒比為速登山車最小齒比為“前前22T22T，后，后34T34T，齒比，齒比 = = 0.65”0.65”，車手踩一圈輪子才轉，車手踩一圈輪子才轉0.650.65圈，所以車手的體力都轉成扭力來圈，所以車手的體力都轉成扭力來舉升車子供爬坡了。舉升車子供爬坡了。要注意路面濕滑時，高扭力會導致

19、輪胎打滑，就是扭力大于地面的摩要注意路面濕滑時，高扭力會導致輪胎打滑，就是扭力大于地面的摩擦力時，無法前進，另外高扭力爬坡時還可能會翹孤輪。擦力時，無法前進，另外高扭力爬坡時還可能會翹孤輪。傳動系統(tǒng)自行車的變速器，前自行車的變速器，前3 3齒盤、后齒盤、后9 9齒盤的組合可變速為齒盤的組合可變速為2727。在此以山地。在此以山地車自行車變速系統(tǒng)為例說明。車自行車變速系統(tǒng)為例說明。旋動腳蹬時，前齒盤旋轉，通過鏈條把力量轉遞到后齒盤，車輪就前旋動腳蹬時，前齒盤旋轉，通過鏈條把力量轉遞到后齒盤，車輪就前進。前齒盤的大?。X數）和后齒盤的大小（齒數）決定旋動腳蹬時進。前齒盤的大小（齒數）和后齒盤的大小

20、（齒數）決定旋動腳蹬時的力度。的力度。前齒盤越大，后齒盤越小，腳蹬時感到費力（自行車前進的距離變前齒盤越大，后齒盤越小，腳蹬時感到費力（自行車前進的距離變長）。長）。前齒盤越小，后齒盤越大，腳蹬時感到輕松（自行車前進的距離變前齒盤越小，后齒盤越大，腳蹬時感到輕松（自行車前進的距離變短）。短）。自行車的騎行是起跑、停止、上坡、下坡、迎風、順風等情況下前進。自行車的騎行是起跑、停止、上坡、下坡、迎風、順風等情況下前進。不管是任何條件下都能保持一定的速度不管是任何條件下都能保持一定的速度( (自行車快速前進，或者是慢自行車快速前進，或者是慢速前進，都能保持一定的踩蹬步速和力矩，就要變速器。速前進，都

21、能保持一定的踩蹬步速和力矩，就要變速器。你假若不要加大自已的力度，只加大齒輪比來快速騎行，那是不可能你假若不要加大自已的力度，只加大齒輪比來快速騎行，那是不可能的事。實際騎行過程中很快發(fā)現這一點的。加大齒輪比（高力矩、低的事。實際騎行過程中很快發(fā)現這一點的。加大齒輪比（高力矩、低旋動）來騎行時，達不到最適當的騎行（放出最適當的能量的力矩和旋動）來騎行時，達不到最適當的騎行（放出最適當的能量的力矩和旋轉的組合）。這將會增加膝蓋的負擔和成為引起各種障礙的原因。旋轉的組合）。這將會增加膝蓋的負擔和成為引起各種障礙的原因。全球十大山地車品牌1.Specialized1.Specialized（閃電）（閃電）：美國品牌，美國品牌，堪稱自行車界堪稱自行車界BMWBMW，它的公路、山地系它的公路、山地系列做得尤其精湛。環(huán)法比賽用車。列做得尤其精湛。環(huán)法比賽用車。 2.TIME:2.TIME:法國著名自行車生產商。它的公路的車架系統(tǒng)、自鎖系統(tǒng)的設計是世法國著名自行車生產商。它的公路的車架系統(tǒng)、