自行車省力結構的研究

劉泊辰

摘 要：使自行車行駛更省力是個大的課題，前人對此做出了不懈的努力，幾乎所有人都認為：自行車再做省力的研究是徒勞的。可常常會有身邊的科學比高深的科學還難搞明白的現象，他不符合人們對自然界認識的規律。任何發明均來源于人們對生活中一些現象的感知，本文在對自行車上力的尋找、轉換和應用上，開辟了另一個天地。我們領略過板車“滑行” 的省力，當我們將騎行者和載重的載荷力G，通過傾斜的車插，改變作用力的方向于輪軸上，作為合力的載荷力G將派生出趨同于行駛方向的分力F，一個輔加的自加力。 還當我們將騎行者和載重行駛中產生的沖擊力P，改變作用方向於輪軸上，作為合力的沖擊力P將派生出趨同于行駛方向的分力F″，又-個助行的自加力。兩個疊加的自加力可使騎行更省力。與現有的技術相比，該實施簡而易行，并不復雜，但其具有實質性的顯著進步，在于他創造性地將作為阻力的載重轉換成驅行動力的一部分。

關鍵詞：自加力；載荷力；派生出；疊加

中圖分類號：U484 文獻標志碼：A

0 前言

任何發明，均來自人們對生活中一些現象的感知，如輪車，是千年來人們從掌握了輪到車的過程，以至在百年以前有了飛躍進展。具有代表性的輪車——自行車，它給人們帶來可使行駛變的快而省力，“自行車” 指僅依靠騎行者力量行駛的車輛。人們騎著自行車會經常自問：現在的自行車結構就是最省力的了嗎？答案當然是否定的。只由此。才能產生真正意義上的創新和發展。

使輪車行駛更省力是個大的課題，前人對此更是做出了不懈的努力，如符合將腳踏力轉換施于輪軸上的鏈條鏈輪付，如減少車輪摩擦阻力所安裝的滾珠軸承，及至輪胎外表面的壓紋形式，如車架、座、蹬符合人體施力的結構，幾近完美地克服著騎行者和載物重量所產生的阻力，幾近所有的人或有認為：自行車再做省力的研究是徒勞的。

對車重和載重多加留心就會了解，作為弊，是我們做車輛行駛時全力克服的。

但如果我們另辟蹊徑，將載重轉變為推動力的一部分，就會變為益。做好由弊變益這篇文章，會使這種具有自加力的自行車更省力。

1 自加力的來源： 載重置不同位置時運動的情況：

（1）圖1為當重物垂直于地面時的受力狀況：

G：物體的重力；F1：拉動物體的力；F10：阻力；|ü ：動摩擦因數（取0.5）。

移動物體的條件是： F1 >F10 = ü G |

若物重G=60 kg， 動摩擦因數 |ü =0.5，則拉力F1 = ü G = 30 kg。

（2）圖2為重物置在傾斜面上的受力狀況：

置重物于傾斜角為 ɑ 時刻，即產生一個力三角，一個沿著斜面向下的力 F2 = Gsinɑ，一個沿重力方向向下的合力G，一個產生阻力F2阻的正壓力G cosɑ 。

很明顯：F10 >F20 = G cosɑ

則有： F1阻>F2阻 ，若設傾斜角ɑ=30?

F2= Gsinɑ=60kg ×0.5=30kg

而F2阻= |üG cosɑ=0.5×60kg × 0.87 = 26.1kg

由于斜面重物的運動更省力。此位置的狀態是：無外力而自滑動。

設計輪車的載重不再作為阻力的全部，而是經改變作用方向使之作為一種輔助的驅動力，我們將助行的力稱為可使自行車省力的自加力，將使自行車經歷又一次結構上改變的創新。

2 自行車上的自加力

（1）圖3，對自行車作了受力分析，顯示出自行車的載重是驅動力需要克服的阻力源。

騎著自行車感到腳踏的力在克服阻力，因為傳統的自行車車插是垂直于輪軸，傳遞的力是與地面垂直的，是產生摩擦阻力F1阻 + F2阻中的正壓力。

采用標準的自行車100 mm的鏈輪；采用標準的600mm自行車車輪；若設載重75 kg，主被動輪承重比為2/3，1/3。 uk取0.04。

則有鏈條驅動力：F= F1阻 ·R/ r

將設值代入：F = [2.4 + 1.2] ×300/50 = 21.6kg

上式中 ：F1阻 = uk × N1 = 0.04 ×60 kg = 2.4 kg

F2阻 = uk × N2 = 0.04 × 30 kg = 1.2 kg

（2）圖4是具有創新結構的自行車，其特點具有傾斜角度?的車插，突出點是自行車上的載重也能轉變為驅動力的-部分：

圖4是具有創新結構的自行車，其特點具有傾斜角度?的車插，

首先是傾斜角度為?的車插，將使輪車上的載重G於車軸上派生出一個與行駛方向趨同的自加力Gsin?，其次是置換出-個垂直于地面的小于原正壓力G的正壓力Gsin?。由力的平衡式很容易地得到了-個較原來驅動力變小的驅動力F=（F1阻 ·R + F2阻-Gsin?）/r 。

由圖1計算出車插垂直于輪軸時的鏈條驅動力：F = 21.6kg，把此值作比較的標。

與傾斜角度 ?為15°時，為30°時，為45°時的鏈條驅動力作比較。

則有傾斜角度 ?為15°時需要的鏈條驅動力F=（F1阻 ·R + F2阻 - G sin?）/r=13.68kg

傾斜角度 ?為30°時需要的鏈條驅動力F=11.95kg；

傾斜角度 ?為45°時需要的鏈條驅動力F=9.26kg

由此可知，車插具有傾斜角度 ? 的自行車與原車插垂直于輪軸時的自行車驅動力比較，省力是明顯的。

傾斜角度?為15°時，為30°時，為45°時的省力分別是：7.92 kg、9.65 kg、12.34 kg。

（3）顛波的振動力也是自行車上的自加力：

道路的不平會使載重自行車上產生顛波振動，狀態處于圖3時的車輛，由于車插垂直于輪軸，顛波振動造成的沖擊力F″=MV×sina/t >0，使作用于橡膠輪上的正壓力變大，從而使阻力變大。

狀態處于圖4時的車輛，由于創制了傾斜方向的車插，當有沖擊力MV/t作用于輪軸時，會派生

出趨同于移動方向的輔加力F″=MV×sina/t ，從而使驅行省力。

狀態處于圖4時的車輛， 具有了使載重派生出的自加力F?， 同時具有了沖擊力的自加力F″， 兩個可助行的自加力加入，使騎行的驅行力 F 顯著變小。

結語

使自行車驅行省力的研究，必須另辟蹊徑，變阻力為動力，唯將載重轉變為推動力的一部分，在對自行車上力的尋找，轉換和應用上，我們將騎行者和載重的載荷力G，通過傾斜的車插改變作用力的方向於輪軸上，作為合力的載荷力G將派生出趨同于行駛方向的分力F?，一個輔加的自加力。 還當我們將騎行者和載重行駛中產生的沖擊力MV/t，改變作用力的方向于輪軸上，派生出趨同于行駛方向的分力F″，又一個變量助行的自加力。疊加的自加力可使騎行明顯的更省力。具有自加力的自行車，制作簡便易行，將會更好地擴大綠色交通出行。

參考文獻

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[2]高鍵.工程力學[M].北京：高等教育出版社，2011.

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