腳踏車的物理


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。

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:


回到腳踏車的問題上。既然靜止時 三輪車很穩定,

想一想,小孩子騎三輪腳踏車直線行進時很安穩,

由於 物體本身的慣性,當車體轉彎時,

腳踏車在靜止時,是完全不穩定的(需要另一隻腳來支撐)。

或是從輪子的接觸點來看,當 身體與車體傾斜的方向,

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,

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。

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,

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。

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,

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!


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作者:國立台灣師範大學 物理系 黃福坤
最後修訂時間: 
since 2011/06/20