流體力學在自行車外形設計中的應用

鮑倚天

摘 要：本文主要通過流體力學理論，對自行車在行駛過程中的作用力影響進行分析，對自行車外形設計提出了一些意見和建議。本文將對自行車行駛時的空氣阻力空氣阻力、表面的壓強、氣動升力、氣動側力等不可忽視的關鍵因素進行具體分析，以期探討流體力學在自行車外形設計中的應用。

關鍵詞：空氣阻力;流體力學;自行車設計

自行車最早作為一種代步工具，曾經是街頭的一道亮麗風景，隨著汽車的發展、環保意識的增強、健身需求的增加，自行車開始作為一種健身、運動工具又開始逐步風靡起來。同時，作為城市交通擁堵、環保角度，對于大城市，自行車出行也被大力推崇，在北京，許多地方開始出行了一卡通租賃自行車的網店。

1 空氣阻力的形成及其影響

空氣阻力的計算公式如下：

上式中：C為空氣阻力系數，該值通常是實驗值，和物體的特征面積（迎風面積），物體光滑程度和整體形狀有關;ρ為空氣密度，正常的干燥空氣可取1.293g/l，特殊條件下可以實地監測;S物體迎風面積;V為物體與空氣的相對運動速度。由上式可知，正常情況下空氣阻力的大小與空氣阻力系數及迎風面積成正比，與速度平方成正比。為了減少行駛時的空氣阻力，主要應減小迎風面積和空氣阻力系數。自行車在空氣中運動，空氣本身也在流動，兩者綜合形成的相對運動，造成對自行車騎行阻力。迎風面積在很大程度上取決于自行車的結構、配件的尺寸大小和外形設計，減小空氣阻力主要依賴于空氣阻力系數的減小，同時，在高速行駛中，氣流產生的升力也會影響到自行車的附著力，尤其是對于逆風行駛和包含較多橫板材配件的自行車。

2 自行車騎行中空氣流體力學特點

在自行車的行駛過程中的壓力阻力一是來自車和人的前部氣流被緊擠，產生對抗車和人前進的正壓力;二是來自在后部和拐角處空氣變得稀薄而引起渦流，產生將車和人吸住的負壓。構成磨擦阻力的因素與車和人的表面平整、光滑度和外形大小有關，此外還與揮動腳蹬時的空氣阻力和車輪轉動的空氣阻力有關。

對于自行車和騎行者，空氣阻力分為摩擦阻力和壓力阻力。摩擦阻力是由空氣的粘性在車身和騎行者表面產生的切向力的合力在行駛方向的分力;壓力阻力則是作用在自行車和騎行者及其相關配件表面上的正壓力的合力在行駛方向的分力，它可分為形狀阻力、干擾阻力、內循環阻力和誘導阻力。其中，形狀阻力占壓力阻力的大部分，與車身形狀有直接關系;干擾阻力是自行車及騎行者表面突起部分引起的氣流干擾而產生的阻力;誘導阻力則是空氣升力在水平方向的分力。在行駛過程中，隨著速度的提高，空氣阻力也隨之增加，

下面的圖片來自知名空氣動力學自行車品牌Cervelo的產品宣傳資料，從中可以看出空氣動力學的重要。

圖1自行車騎行中空氣流體力

3 氣流阻力對前后擋板和高把自行車騎行的影響

氣流升力對自行車性能也存在一定的影響，在平地行駛過程中相對影響不大，但是在大風天氣的山地騎行中仍然值得注意。當空氣流經上下表面不對稱的扁形物體時，空氣質點流經上表面的路程比下表面的路程長，而流經后的空氣質點又必須同時在后緣匯合，因此流經上擋板面的空氣質點速度比流經下擋板面空氣質點速度高。根據伯努利定理可知，上板面的靜壓比下板面的靜壓小，從而在上下擋板面間產生壓差，產生升力。氣動升力將減小自行車輪胎對地面的壓力，影響動力性和制動性能，同時，使輪胎側向附著力和側偏剛度降低，影響自行車的行駛穩定性。自行車所受的氣動力和氣動力矩大小均與車速的平方成正比。當自行車低速行駛時，所受的氣動力和氣動力矩對自行車性能影響較小。

當自行車高速行駛時，氣動力對各性能的影響則需要注意。以氣流阻力為例，前擋板自行車的滾動阻力受空氣升力的影響是隨自行車速度增加而減少的;而自行車的氣動阻力則是隨著車速的增加以二次方的速度增加。

圖2升力與阻力

4 氣流側力對實心輪轂自行車性能的影響

自然側風是大自然大氣流動形成的，按照不同類型又包括穩態和非穩態風。側風的大小和方向都是隨時間隨機變化的，穩態側風按照風速的變化包括常量、線性變化、階梯變化、正弦變化。假設自行車行駛運動方向一致的氣流速度為，側風的風速為，側風作用時相對于自行車運動的速度為，氣流的方向與自行車軸線的夾角為。

則其氣動側向力可表示為：外形不對稱、橫偏角（氣流與自行車縱對稱面夾角）產生氣動側力。對于實心輪轂和連接體部分面積較大的自行車，受側向風時，就會在車身側板的側向邊緣處引起非常強烈的氣流。此外，它還破壞了自行車前部與后部之間空隙處正常的小渦流狀態，而從背風面沿車身側壁移動，在范圍內形成旋渦稠密氣流區，這就使車身正前方的阻力明顯地增大，從而使自行車迎風面積上的空氣阻力大為增加，將使自行車相對原直線行駛方向發生偏移。

圖3 氣流速度矢量圖

5 自行車設計對風阻的影響

如今在計時賽及鐵人三項賽中，低風阻手把、低風阻輪、碟輪、流線型安全帽、水滴型管材車架，仍屬UCI合法范圍，從事競賽的車手，為了更好的成績，都在致力于減低器材以及姿勢上的風阻。通過對風阻的減小，可以有效節約騎行者的體力、增加騎行速度，

空氣動力特性方面以碟輪、板輪為佳，且越寬者越佳，鋼絲數目越少，鋼絲越扁，也越佳。不過空氣動力特性越佳。不過在實際設計中還需要同時考慮逆風和順風兩種情況的影響。此外，自行車的阻風面有主要還包括來自身體，車架，手把，車衣，水壺架，安全帽，大齒盤，前煞車等方面的阻力。總體上，人體阻力約占70/%，自行車阻力可以占到30/%左右。以下為某自行車在25英里（42.25公里）的個人計時賽改變設定和可節省時間的比較（單位：秒）。

Specialized S-Works Venge是充分考慮空氣動力的典型例子，該自行車根據空氣動力學設計的碳纖維車架，其后上參考了飛機機翼的設計，采取FACT碳纖維弧面翼型，減少了空氣阻力。能有效減少空氣阻力，使得騎行更快更順暢。而自行車的頭管尺寸也是按照符合空氣動力學標準進行特殊設計，從頂部到底部去除了所有尖銳的部分，增加剛性與強度，減少了空氣阻力。Specialized S-Works Venge的前也是也采取了符合UCI標準的空氣動力學碳纖維，還提高了強度，增加了堅固性，同時，該車的車架均采用內部走線方式，內走線從手把進入到車架，然后從牙盤頭管處出來，提供了有效的穩定性與剎車表現同時，也利于減少空氣阻力。

表1改變構建所節省的時間

改變構件 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 節省時間

傳統鋼絲班輪 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 30

低阻風車架 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?42

計時賽手把 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 30-60

連身長袖車衣 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 14-25

低阻水壺架及水壺 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 14

低風阻安全帽 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?20-25

卡式踏板、鞋套 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?9

低風阻大齒盤 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?6

前后碟輪輪組 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 70

下把位 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 180

圖4自行車的設計

6 結語

空氣動力學是力學的一個分支，但主要還是用于研究飛行器或其他物體在同空氣或其他氣體作相對運動情況下的受力特性，如今空氣動力在民用產品設計方面也日益受到重視，在自行車研究設計中也越來越被產品設計師所注意，目前出現的高速自行車、避風式自行車、流線型自行車以及采用“滴水管”和異徑輻條等，其目的均為了減輕空氣的阻力。

通過對自行車外形、結構及配件的的優化設計，可以有效減少騎行阻力，提升騎行速度。空氣阻力的研究，對于提高自行車行駛的輕便性、節約成本，縮短產品的開發周期都具有重要意義。

參考文獻：

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