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?？沙３猩磉叺目茖W(xué)比高深的科學(xué)還難搞明白的現(xiàn)象，他不符合人們對自然界認識的規(guī)律。任何發(fā)明均來源于人們對生活中一些現(xiàn)象的感知，本文在對自行車上力的尋找、轉(zhuǎn)換和應(yīng)用上，開辟了另一個天地。我們領(lǐng)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(chǎn)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(xiàn)有的技術(shù)相比，該實施簡而易行，并不復(fù)雜，但其具有實質(zhì)性的顯著進步，在于他創(chuàng)造性地將作為阻力的載重轉(zhuǎn)換成驅(qū)行動力的一部分。

關(guān)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(fā)明，均來自人們對生活中一些現(xiàn)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(jīng)常自問：現(xiàn)在的自行車結(jié)構(gòu)就是最省力的了嗎？答案當然是否定的。只由此。才能產(chǎn)生真正意義上的創(chuàng)新和發(fā)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，幾近完美地克服著騎行者和載物重量所產(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)橥苿恿Φ囊徊糠?，就會變?yōu)橐妗Ｗ龊糜杀鬃円孢@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(shù)（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(shù) |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(chǎn)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(chǎn)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(shè)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(tài)是：無外力而自滑動。

設(shè)計輪車的載重不再作為阻力的全部，而是經(jīng)改變作用方向使之作為一種輔助的驅(qū)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(jīng)歷又一次結(jié)構(gòu)上改變的創(chuàng)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(qū)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(tǒng)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(chǎn)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(shè)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(qū)動力：F= F1阻 ·R/ r

將設(shè)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(chuàng)新結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動力的-部分：

圖4是具有創(chuàng)新結(jié)構(gòu)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(qū)動力變小的驅(qū)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(qū)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(qū)動力作比較。

則有傾斜角度 ?為15°時需要的鏈條驅(qū)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(qū)動力F=11.95kg；

傾斜角度 ?為45°時需要的鏈條驅(qū)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(qū)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(chǎn)生顛波振動，狀態(tài)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(tài)處于圖4時的車輛，由于創(chuàng)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(qū)行省力。

狀態(tài)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(qū)行力 F 顯著變小。

結(jié)語

使自行車驅(qū)行省力的研究，必須另辟蹊徑，變阻力為動力，唯將載重轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿恿Φ囊徊糠?，在對自行車上力的尋找，轉(zhuǎn)換和應(yīng)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(chǎn)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

[1]楊維弘.力學(xué)與理論力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[2]高鍵.工程力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3]一種自加力的輪式車輛[P].中國專利：ZL 2016 1 015443.8，2017-8-01.endprint