腳踏車的物理學大全

發佈: 2009-12-27 23:23 | 作者: twitter | 來源: kmplayer 免費下載

我想大部份的人都有騎腳踏車或機車的經驗。
相對於汽車而言,腳踏車是相當有效率的機械裝置。
(汽車不到 20%的能量用來讓車子前進,大部份的能量都轉化為 熱能消耗掉了)。
腳踏車在平坦的路面很容易行進,也很方便停放。(尤其在停車不易的現代都市裡)
結構也較汽車簡單多了,而且各項組件都顯而易見。
 

有沒有想過:
為何腳踏車是兩輪的,而不做成三輪的?
靜止時,三個輪子不是更容易平衡嗎?兩輪的車子,一停下來馬上會傾倒。
過去的時代也有過三輪車(人力計程車),現在或許偶而可以看見收垃圾的三輪車。
為何 那些車子不做成四輪的呢?(當然就不叫三輪車了!)
通常桌椅都有四個腳,在平坦的路面上 當然很平穩。
但是 地面若稍有高低起伏,則桌子會容易 晃來晃去。
一次只有三個腳 接觸地面。(為何 只有三個腳 接觸地面呢? 與 三度空間有無關連呢?)
三個腳的桌子,在凹凸不平的地面上,只要重心不超出三個腳構成三角形的底面積。
就會是處於平衡狀態。
車子必須在不同的路面上行進,於是三輪的與 四輪的 人力車在路面行走時,
哪一個較穩定呢?
當然 你會想到 汽車通常都是 四輪的,不是嗎?可是,比較一下
三輪車的輪子,是固定在車身上的,與車身整體一起運動。
當然汽車的輪子與車體也一起運動,但是車輪碰到凹凸不平的路面時,
車體也會稍有振動,但和輪子的振動並不一致。
因為車身是靠 彈簧(與避振器)撐起來的,輪子與車體間的距離是可變的。
回到腳踏車的問題上。既然靜止時 三輪車很穩定,
為何只有還不太會平衡的小孩或 身體有障礙的人士 才騎乘 三輪的腳踏(機)車呢?
想一想,小孩子騎三輪腳踏車直線行進時很安穩,

但是如果從斜坡上滑下(較快速),
且方向稍有偏轉時,是不是很危險呢?
由於 物體本身的慣性,當車體轉彎時,
慣性仍想依照原來的方向行進,
若重心過高,車速過快或是轉彎太急,
即使摩擦力足夠提供轉彎時所需的向心力,
但是同時對質心所產生的力矩,
會使的車體旋轉(翻倒),是很危險的。
腳踏車在靜止時,是完全不穩定的(需要另一隻腳來支撐)。
但是行進轉彎時,可以藉由人與車體的傾斜產生反方向的力矩來減少,
由 摩擦力所產生向外翻倒的力矩,自然就比較穩定。
或是從輪子的接觸點來看,當 身體與車體傾斜的方向,
正好在 摩擦力與正向力合力的同一方向時,則沒有任何力矩。如下圖:


但是三輪的車子則無法如此偏轉,因此在高速時反而變成不穩定。
雖然雙輪腳踏車在靜止時並不穩定,但是在行進中的腳踏車,
由於輪胎所具有的角動量,對於車體有一定的平衡作用。
因此 雙手不扶著車把,在一定速度以上,車子一樣可以維持前進不倒下。
另外 腳踏車的車輪設計上,更有另一個特殊的設計,更加幫助車子的穩定性。如圖:

注意 前車輪的支架的沿線並不通過車輪與地面的交接點,而是稍微前面一些。
當車子向左側傾倒時,將會產生力矩使得車把也向左側轉彎。
(用手比一比,你找出為什麼了嗎?其道理和打陀螺會徑動(Precission)的原理相同。)
於是使得車子恢復直立而回到平衡處。
若是讓前輪支架的沿線通過車輪與地面交點的後方,則作用恰相反,很容易倒下。
只要沿線在交接點之前便是穩定平衡狀態,當然相距越遠則平衡性越好,
但是轉彎時也會越不容易。(較費力)
通常小孩子的腳踏車前端支架是直的,因此平衡性較好。(如上圖)
但是成人騎的單車則支架處會稍微往後彎,使得沿線恰在交接點前端一些。
則較容易轉彎,但也需要較高的平衡性(人體重心的移動)。
如同小孩子的三輪車一般,早期的腳踏車踏板是裝在前輪上,腳踏著踏板前進,
為了使得腳踏的速度小於車輪的速度,前輪必須很大才方便。
於是腳踏板轉一圈,可以行進較長的距離。如下圖

是 19 世紀的產物,雖然在平地上很方便,但是上坡時可就踩不動了。
(腳板踏的力量要較大)。
前輪驅動很不方便,輪子轉腳要跟著轉。且腳到踏板的距離要跟身高配合。
現代則改為 後輪驅動,再加上利用輪軸與 絞鍊的組合,前輪可以輕易的轉動。
可真是方便多了!還有各種不同的變速腳踏車呢!