Google+ 機動學論壇(TALKING MECHANISMS): 腳踏車變速齒輪運作原理

2007年6月13日 星期三

腳踏車變速齒輪運作原理


b94611032 張鈞崴
腳踏車變速齒輪
變速車,變!變!變!變速車比起普通的腳踏車,除了外形拉風之外,還可以有多段變速的功能,不但能省力地爬坡,在平地跑起來也是虎虎生風,速度超快喔!最近,有很多小朋友問起變速車變速的原理,今天我們就來稍做解釋一下!

腳踏車的構造

仔細觀察腳踏車,你會發現當你在騎車時,車子的方向是以把手來控制的,而腳踏車前進的速度與力量呢?是以腳踏板來控制(手煞車除外)。腳踏板連接著前齒輪,腳踏板踩一圈,前齒輪就會跟著轉動一圈,所以你能夠以

腳踏板來控制前齒輪的轉動;那後齒輪呢?鏈條把前齒輪和後齒輪鏈接在一起,當你踩動腳踏板使前齒輪轉動時,就會帶動後齒輪跟著轉動,而後齒輪的輪軸就會帶著後輪及前輪一起轉動了!因此,腳踏板、前後齒輪、及鏈條組成的齒輪組,是腳踏車的「靈魂組合」。目前常見的變速腳踏車,前齒輪多是固定大小,而後齒輪則有好幾個不同大小的齒輪可以變換;以下就以這類的變速腳踏車來簡單說明。

 

怎樣才能省時?

我們說幾「段」變速,其實就是因為後齒輪有好幾種大小可以調整;我們舉下圖為例子,來說明:

前齒輪齒數

後齒輪齒數

前齒輪踩一圈,
後齒輪可動幾圈

速度

16

4

4

最快

8

2

第二快

12

1.33

第三快

16

1

所以,當後齒輪愈小,速度則愈快。

 

怎樣才能省力?-- 槓桿原理的「變形」

要讓腳踏車前進,首先便是要克服地面給予輪子的「阻力」。在此,我們可以把後輪及後齒輪之間的關係看成一個「變形」的槓桿,而從槓桿原理中,我們知道:

(施力)×(施力臂)=(抗力)× (抗力臂)

而在腳踏車的例子中,(施力)為我們踩踏板後藉著鏈條傳給後齒輪的力;(施力臂)為後齒輪的半徑;(抗力)為地面給予車輪的阻力;而抗力臂為車輪的半徑;所以:

(踩踏板後藉著鏈條傳給後齒輪的力)×(後齒輪的半徑)

=(地面給予車輪的阻力)× (車輪的半徑)

因此,當地面給予車輪的阻力及車輪的半徑都是固定時,後齒輪的半徑愈小時,所需要踩踏的力就愈大,也就是愈「費力」

後齒輪

速度

需力

較費力

較省力

來,我們來動動腦!當你要上坡時,阻力顯然比在平地時大,你要如何「變速」呢?當然是選擇沒那麼快但省力的「大齒輪」囉!那當你在平地前進時呢?

沒有留言: