流體力學(xué)在自行車外形設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

鮑倚天

摘 要：本文主要通過(guò)流體力學(xué)理論，對(duì)自行車在行駛過(guò)程中的作用力影響進(jìn)行分析，對(duì)自行車外形設(shè)計(jì)提出了一些意見和建議。本文將對(duì)自行車行駛時(shí)的空氣阻力空氣阻力、表面的壓強(qiáng)、氣動(dòng)升力、氣動(dòng)側(cè)力等不可忽視的關(guān)鍵因素進(jìn)行具體分析，以期探討流體力學(xué)在自行車外形設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：空氣阻力;流體力學(xué);自行車設(shè)計(jì)

自行車最早作為一種代步工具，曾經(jīng)是街頭的一道亮麗風(fēng)景，隨著汽車的發(fā)展、環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)、健身需求的增加，自行車開始作為一種健身、運(yùn)動(dòng)工具又開始逐步風(fēng)靡起來(lái)。同時(shí)，作為城市交通擁堵、環(huán)保角度，對(duì)于大城市，自行車出行也被大力推崇，在北京，許多地方開始出行了一卡通租賃自行車的網(wǎng)店。

1 空氣阻力的形成及其影響

空氣阻力的計(jì)算公式如下：

上式中：C為空氣阻力系數(shù)，該值通常是實(shí)驗(yàn)值，和物體的特征面積（迎風(fēng)面積），物體光滑程度和整體形狀有關(guān);ρ為空氣密度，正常的干燥空氣可取1.293g/l，特殊條件下可以實(shí)地監(jiān)測(cè);S物體迎風(fēng)面積;V為物體與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。由上式可知，正常情況下空氣阻力的大小與空氣阻力系數(shù)及迎風(fēng)面積成正比，與速度平方成正比。為了減少行駛時(shí)的空氣阻力，主要應(yīng)減小迎風(fēng)面積和空氣阻力系數(shù)。自行車在空氣中運(yùn)動(dòng)，空氣本身也在流動(dòng)，兩者綜合形成的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成對(duì)自行車騎行阻力。迎風(fēng)面積在很大程度上取決于自行車的結(jié)構(gòu)、配件的尺寸大小和外形設(shè)計(jì)，減小空氣阻力主要依賴于空氣阻力系數(shù)的減小，同時(shí)，在高速行駛中，氣流產(chǎn)生的升力也會(huì)影響到自行車的附著力，尤其是對(duì)于逆風(fēng)行駛和包含較多橫板材配件的自行車。

2 自行車騎行中空氣流體力學(xué)特點(diǎn)

在自行車的行駛過(guò)程中的壓力阻力一是來(lái)自車和人的前部氣流被緊擠，產(chǎn)生對(duì)抗車和人前進(jìn)的正壓力;二是來(lái)自在后部和拐角處空氣變得稀薄而引起渦流，產(chǎn)生將車和人吸住的負(fù)壓。構(gòu)成磨擦阻力的因素與車和人的表面平整、光滑度和外形大小有關(guān)，此外還與揮動(dòng)腳蹬時(shí)的空氣阻力和車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的空氣阻力有關(guān)。

對(duì)于自行車和騎行者，空氣阻力分為摩擦阻力和壓力阻力。摩擦阻力是由空氣的粘性在車身和騎行者表面產(chǎn)生的切向力的合力在行駛方向的分力;壓力阻力則是作用在自行車和騎行者及其相關(guān)配件表面上的正壓力的合力在行駛方向的分力，它可分為形狀阻力、干擾阻力、內(nèi)循環(huán)阻力和誘導(dǎo)阻力。其中，形狀阻力占?jí)毫ψ枇Φ拇蟛糠?，與車身形狀有直接關(guān)系;干擾阻力是自行車及騎行者表面突起部分引起的氣流干擾而產(chǎn)生的阻力;誘導(dǎo)阻力則是空氣升力在水平方向的分力。在行駛過(guò)程中，隨著速度的提高，空氣阻力也隨之增加，

下面的圖片來(lái)自知名空氣動(dòng)力學(xué)自行車品牌Cervelo的產(chǎn)品宣傳資料，從中可以看出空氣動(dòng)力學(xué)的重要。

圖1自行車騎行中空氣流體力

3 氣流阻力對(duì)前后擋板和高把自行車騎行的影響

氣流升力對(duì)自行車性能也存在一定的影響，在平地行駛過(guò)程中相對(duì)影響不大，但是在大風(fēng)天氣的山地騎行中仍然值得注意。當(dāng)空氣流經(jīng)上下表面不對(duì)稱的扁形物體時(shí)，空氣質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)上表面的路程比下表面的路程長(zhǎng)，而流經(jīng)后的空氣質(zhì)點(diǎn)又必須同時(shí)在后緣匯合，因此流經(jīng)上擋板面的空氣質(zhì)點(diǎn)速度比流經(jīng)下?lián)醢迕婵諝赓|(zhì)點(diǎn)速度高。根據(jù)伯努利定理可知，上板面的靜壓比下板面的靜壓小，從而在上下?lián)醢迕骈g產(chǎn)生壓差，產(chǎn)生升力。氣動(dòng)升力將減小自行車輪胎對(duì)地面的壓力，影響動(dòng)力性和制動(dòng)性能，同時(shí)，使輪胎側(cè)向附著力和側(cè)偏剛度降低，影響自行車的行駛穩(wěn)定性。自行車所受的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩大小均與車速的平方成正比。當(dāng)自行車低速行駛時(shí)，所受的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩對(duì)自行車性能影響較小。

當(dāng)自行車高速行駛時(shí)，氣動(dòng)力對(duì)各性能的影響則需要注意。以氣流阻力為例，前擋板自行車的滾動(dòng)阻力受空氣升力的影響是隨自行車速度增加而減少的;而自行車的氣動(dòng)阻力則是隨著車速的增加以二次方的速度增加。

圖2升力與阻力

4 氣流側(cè)力對(duì)實(shí)心輪轂自行車性能的影響

自然側(cè)風(fēng)是大自然大氣流動(dòng)形成的，按照不同類型又包括穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)風(fēng)。側(cè)風(fēng)的大小和方向都是隨時(shí)間隨機(jī)變化的，穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)按照風(fēng)速的變化包括常量、線性變化、階梯變化、正弦變化。假設(shè)自行車行駛運(yùn)動(dòng)方向一致的氣流速度為，側(cè)風(fēng)的風(fēng)速為，側(cè)風(fēng)作用時(shí)相對(duì)于自行車運(yùn)動(dòng)的速度為，氣流的方向與自行車軸線的夾角為。

則其氣動(dòng)側(cè)向力可表示為：外形不對(duì)稱、橫偏角（氣流與自行車縱對(duì)稱面夾角）產(chǎn)生氣動(dòng)側(cè)力。對(duì)于實(shí)心輪轂和連接體部分面積較大的自行車，受側(cè)向風(fēng)時(shí)，就會(huì)在車身側(cè)板的側(cè)向邊緣處引起非常強(qiáng)烈的氣流。此外，它還破壞了自行車前部與后部之間空隙處正常的小渦流狀態(tài)，而從背風(fēng)面沿車身側(cè)壁移動(dòng)，在范圍內(nèi)形成旋渦稠密氣流區(qū)，這就使車身正前方的阻力明顯地增大，從而使自行車迎風(fēng)面積上的空氣阻力大為增加，將使自行車相對(duì)原直線行駛方向發(fā)生偏移。

圖3 氣流速度矢量圖

5 自行車設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)阻的影響

如今在計(jì)時(shí)賽及鐵人三項(xiàng)賽中，低風(fēng)阻手把、低風(fēng)阻輪、碟輪、流線型安全帽、水滴型管材車架，仍屬UCI合法范圍，從事競(jìng)賽的車手，為了更好的成績(jī)，都在致力于減低器材以及姿勢(shì)上的風(fēng)阻。通過(guò)對(duì)風(fēng)阻的減小，可以有效節(jié)約騎行者的體力、增加騎行速度，

空氣動(dòng)力特性方面以碟輪、板輪為佳，且越寬者越佳，鋼絲數(shù)目越少，鋼絲越扁，也越佳。不過(guò)空氣動(dòng)力特性越佳。不過(guò)在實(shí)際設(shè)計(jì)中還需要同時(shí)考慮逆風(fēng)和順風(fēng)兩種情況的影響。此外，自行車的阻風(fēng)面有主要還包括來(lái)自身體，車架，手把，車衣，水壺架，安全帽，大齒盤，前煞車等方面的阻力?？傮w上，人體阻力約占70/%，自行車阻力可以占到30/%左右。以下為某自行車在25英里（42.25公里）的個(gè)人計(jì)時(shí)賽改變?cè)O(shè)定和可節(jié)省時(shí)間的比較（單位：秒）。

Specialized S-Works Venge是充分考慮空氣動(dòng)力的典型例子，該自行車根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的碳纖維車架，其后上參考了飛機(jī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)，采取FACT碳纖維弧面翼型，減少了空氣阻力。能有效減少空氣阻力，使得騎行更快更順暢。而自行車的頭管尺寸也是按照符合空氣動(dòng)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，從頂部到底部去除了所有尖銳的部分，增加剛性與強(qiáng)度，減少了空氣阻力。Specialized S-Works Venge的前也是也采取了符合UCI標(biāo)準(zhǔn)的空氣動(dòng)力學(xué)碳纖維，還提高了強(qiáng)度，增加了堅(jiān)固性，同時(shí)，該車的車架均采用內(nèi)部走線方式，內(nèi)走線從手把進(jìn)入到車架，然后從牙盤頭管處出來(lái)，提供了有效的穩(wěn)定性與剎車表現(xiàn)同時(shí)，也利于減少空氣阻力。

表1改變構(gòu)建所節(jié)省的時(shí)間

改變構(gòu)件 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 節(jié)省時(shí)間

傳統(tǒng)鋼絲班輪 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 30

低阻風(fēng)車架 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?42

計(jì)時(shí)賽手把 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 30-60

連身長(zhǎng)袖車衣 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 14-25

低阻水壺架及水壺 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 14

低風(fēng)阻安全帽 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?20-25

卡式踏板、鞋套 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?9

低風(fēng)阻大齒盤 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?6

前后碟輪輪組 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 70

下把位 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 180

圖4自行車的設(shè)計(jì)

6 結(jié)語(yǔ)

空氣動(dòng)力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，但主要還是用于研究飛行器或其他物體在同空氣或其他氣體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況下的受力特性，如今空氣動(dòng)力在民用產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面也日益受到重視，在自行車研究設(shè)計(jì)中也越來(lái)越被產(chǎn)品設(shè)計(jì)師所注意，目前出現(xiàn)的高速自行車、避風(fēng)式自行車、流線型自行車以及采用“滴水管”和異徑輻條等，其目的均為了減輕空氣的阻力。

通過(guò)對(duì)自行車外形、結(jié)構(gòu)及配件的的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以有效減少騎行阻力，提升騎行速度?？諝庾枇Φ难芯?，對(duì)于提高自行車行駛的輕便性、節(jié)約成本，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期都具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱克勤.神奇的超流體[J].力學(xué)與實(shí)踐.2010（01）：98-100.

[2] 程憲春，朱志偉，孫淑紅.折疊自行車設(shè)計(jì)研究[J].包裝工程.2007

（08）：161-163.