山地车行驶在公路上时, 前轮负责导向, 后轮主要负责驱动。行进过程中, 驾驶者上身基本不动, 主要是依靠腿部和脚部在做周而复始的运动。车轮在接受来自地面的静摩擦力的作用下进行活动, 而这个力也就是山地车受到的牵引力。如果我们把人和山地车看作一个质点组, 牵引力不仅是车行驶的源动力, 也是山地车质心增加动能的必要条件;而自行车的动能来自于内力的功, 与牵引力做功没有直接关系。另一方面, 高速行驶的山地车可以保持稳定的原因依托于回转效应, 让山地车转弯主要是依靠车身发生倾斜, 或者是转动车把方向, 有些车技高超的车手或者是杂技团的演员, 在双手脱离车把的情况下, 依然能够保持平衡, 让车子平稳前进或者转弯。
车子在转弯时, 可以将其看作是绕圆心平动和绕质心转动的合成。山地车的两个轮子在行驶过程中的转动方向是一致的, 两个轮子的受力状况却因为前后轮功能不同而存在着区别。图1为后轮受力的作用图, 后轮是车子行驶的驱动轮, 受到人力的力矩M1后呈逆时针转动, 车轮相对地面有向后运动的趋势, 因此受到来自地面向前的摩擦力Fs, 力矩为M2。图2为前轮受力的作用图, 前轮有着相对地面向前运动的趋势, 因此会受到来自地面的向后的摩擦力Fs′, 力矩为M3。除了前后轮受到来自地面的摩擦力之外, 车子在行驶过程中也会受到空气或者风的阻力的影响, 在保证环境影响因素不变的情况下, 车子的驱动力由前后轮所受摩擦力之差决定。
当山地车行进时, 后轮受到了地面向前的摩擦力, 而前轮相对地面向前运动时, 受到了向后的摩擦力, 向后的摩擦力就会阻碍车子前进。两个摩擦力相差越大, 车子行进受到的影响也就越大, 当阻碍的摩擦力越大时, 车子行进越困难, 但摩擦力过小时, 车子在转弯或者刹车时很容易打横或者放平, 对驾驶人员的人身安全造成威胁, 因此我们在骑车长途出行时需要多关注车胎的情况。
山地车的车头是转向装置, 其利用了杠杆原理 (动力×动力臂=阻力×阻力臂) , 双臂间的距离越大, 转弯所需要的力越小。在自行车中, 两手把设计的距离一般与肩同宽, 这样不仅满足了人的舒适需求, 也能保证在省力安全的情况下骑车出行。两手把间的距离过长或过短都不好控制力度, 双臂也会不舒服。刹车手把通过钢丝或者橡胶与刹车皮相连, 也是利用了杠杆原理, 其刹车手把是动力臂, 在受到人的拉力时, 作用于钢丝或者橡胶, 使另一端连接的刹车皮压在车轮轮圈上, 给车轮一个前进的阻力。车把和刹车手把中对杠杆原理的应用, 不仅仅满足了人们在骑车时的舒适需求, 更从物理的角度将骑车时人们自身所做的功降到最低。
山地车在设计时也充分运用了压力与压强的原理 (P=F/S) 。一般来说, 山地车的车座会比自行车的车座小一些, 主要是为了使两腿分开的距离小一些, 利于双腿发力, 适合在公路上长途骑行和进行一些竞技类的项目;而一般的自行车会从车手舒适的角度来设计, 车座的表面积会设计的更大一些, 这样人受到车座的压强会小一些, 长时间骑行臀部也不会疼痛。车胎中压强的大小对车子行进也有着很大的影响, 根据压强公式P=F/S可知, 当车胎内气体不足时, 胎内的压强小于外界大气压强, 人对车的作用力不变, 车胎与地面的接触面积变大, 车子所受的摩擦力也随之变大, 车子前进变得更加困难, 因此在长途骑行前, 车子需要先充足气。
山地车座下安有弹簧, 车座本身的材料也多是泡沫、海绵等, 这种设计能够减小车子在行进过程中的震动对人的作用力。当行驶在凹凸不平的路面上时, 人会随着车子上下起伏, 弹簧的作用力延长了人与车座接触的时间, 根据冲量公式I=Ft (震动冲量=两物体接触力×接触时间) 可知, 人受到的接触力减少, 震动对人体的危害也逐渐减少。在崎岖的道路上骑行时, 往往后座的人的臀部会比骑行人的臀部更加疼痛。部分山地车的车头和车身装有避震器, 也是为了将避震效果最大化, 使长时间骑行人的舒适度最大化提升。车胎的内胎使用橡胶, 也是利用了橡胶的弹性, 增强车轮的避震效果。除此之外, 车身的三角结构是最稳定的结构, 能够最大程度上减少弹力对车身的影响, 使车子不容易产生形变。
车子后轮的运转与滑轮的原理是一致的, 前后链盘通过链条的带动产生转动, 转动的角速度相同, 后链盘带动后轮的转动, 因此与后轮的角速度一致。由于后轮的半径远大于链盘的半径, 因此后轮的线速度会更大。变速自行车中的变速器也是运用了这一原理, 可以通过改变前后链盘的半径比来改变车轮的速度。当车子需要提速时, 将链条挂在半径较大的前链盘上, 或者是挂在半径更小的后链盘上, 这样前轮在转动一圈的同时, 后轮会转动很多圈, 进而提高了车子的行驶速度。
摘要：自行车作为一种交通工具已经在国内外得到了广泛的使用, 无论是公路自行车还是山地车, 都给人们出行带来了极大的方便。本文对山地车的行驶原理和受力进行了简单的分析和讨论。
关键词：山地车,行驶,力学
[1] 蔡睿, 刘智, 等.公路自行车的动力学分析及仿真研究[J].中国体育科技, 2014, 50 (1) :125-128.
[2] 杨洪瑞.骑自行车的力学技巧分析及合理设计[J].武警学院学报, 2001, 17 (3) :39-40.
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