延長電動(dòng)自行車騎行時(shí)長的研究

劉泊辰

摘 要：電動(dòng)自行車是現(xiàn)在人使用最廣泛的便捷的輪式車輛，但卻存在騎行時(shí)長受限的不足，依功率學(xué)說而言，幾近所有的現(xiàn)在人或有認(rèn)為：對(duì)電動(dòng)自行車做騎行時(shí)長的延長研究是艱難的。但如果我們另辟蹊徑，從功率與功耗的力源探究出發(fā)，不僅僅把把騎行者的重量和載物重量視為阻力而視為動(dòng)力之一，那么，在對(duì)輪車上力的尋找，轉(zhuǎn)換和應(yīng)用上，將會(huì)開辟另一個(gè)天地。在正文中圖4和圖5所示，當(dāng)我們將騎行者和載重的載荷力G，改變作用方向于主動(dòng)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(gè)輔加的自加力。 還當(dāng)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(gè)助行的自加力。兩個(gè)疊加的自加力可使騎行更省力，減少了的功耗，使之自然地獲得了延長了的電動(dòng)車騎行時(shí)間。

關(guān)鍵詞：自加力；騎行時(shí)長；派生出；疊加

中圖分類號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

任何簡單而意義深遠(yuǎn)的發(fā)明，必然是觸發(fā)了人們對(duì)現(xiàn)實(shí)活動(dòng)的靈感而有所跨越，如古人見水面漂浮著的木頭而制造出了獨(dú)木舟，又如“見飛蓬轉(zhuǎn)而知為輪”，發(fā)明了輪也即有了車。車輛最偉大的作用是使人可以搬運(yùn)大大超過自身重量的物體，膾炙人口的是諸葛亮在北伐時(shí)制造了木牛流馬，行走在崎曲的小道上運(yùn)送糧草。而《左傳》里說夏代的奚仲發(fā)明了戰(zhàn)車，那可是四千多年前的事了。只是在近二百年里，由歐洲發(fā)明家的推動(dòng)使輪車趨于完善。也許，人們應(yīng)該永遠(yuǎn)記住這些發(fā)明者，像法國的西米垃克，德國的萊斯，英格蘭的麥克米倫，勞森和斯塔利。。。。。。等人，對(duì)省力的探索并不斷的創(chuàng)新者，他給人們帶來可使行駛變的快而省力，使這種簡單實(shí)用的交通工具成為全世界使用最多的——自行車。但從嚴(yán)格含義上講，“自行車” 是人們的一種超前期望， 依靠騎行者力量行駛的車輛怎么能稱為自行呢？只是，只是在近二十年里人們紿自行車裝上了替代人力的電動(dòng)機(jī)，這款名符其實(shí)的“自行車”，很快成為人們的最愛，如潮水涌耒充滿了大亍小巷。人們騎著電動(dòng)自行車常會(huì)自問：現(xiàn)在的電動(dòng)自行車結(jié)構(gòu)就是最完善的了嗎？還能使行駛時(shí)長再延長一些嗎？這就給我們提出研究和需要解決的課題。

1.課題的背景及提出

自電動(dòng)自行車問世以耒，幾近完美地克服著騎行者和載物重量所產(chǎn)生的阻力，完成了人們對(duì)行駛更省力的愿望，但是，猶有不足的是騎行時(shí)長受限。依功率學(xué)說而言，騎行時(shí)長t等于電池容量Q除以電機(jī)輸出功率P。按此，幾近所有的人認(rèn)為：除非在電池上有所突破外， 否則電動(dòng)自行車再做騎行時(shí)長的延長研究是徒勞的?？扇绻覀兞肀脔鑿?，把減少電池的消耗作最大的關(guān)切，從探究功率與功耗的力源出發(fā)，功率P =力 F*速度V. 當(dāng)我們不把電機(jī)輸出的力作為行駛動(dòng)力的唯一，不僅僅把把騎行者的重量和載物重量視為阻力而視為動(dòng)力之一，將會(huì)開辟另一個(gè)天地。

尋找現(xiàn)實(shí)生活中的活動(dòng)，有事例可以印證這種自加力是存在的：我見過并嘗試過的拉動(dòng)單軸兩輪扳車的沉重，但當(dāng)使板車上的重物適當(dāng)后移，拉車者坐在前扶把上單腳觸地并后蹬，當(dāng)板車后仰一定角度后就能向前滑行一段距離，再落地再后蹬，做反復(fù)動(dòng)作，稱滑車。感覺輕而快。由拉著的沉重到滑行的輕快，必定有一個(gè)力在助行，必定是被當(dāng)成阻力的一部分產(chǎn)生了轉(zhuǎn)變，那么我們就做個(gè)尋行者，看看這個(gè)自加力是怎樣演變的。

2.理論分析

2.1 重力對(duì)物體的相互作用：

結(jié)論：移動(dòng)重力垂直於地面的物體，其拉力 F1等于大于物體的摩擦阻力F10，此種狀態(tài)時(shí)重力的全部作為正壓力體現(xiàn)在摩擦阻力F10中。

2.1.2 圖2所示的是物體置於斜面上的狀態(tài)：

結(jié)論

移動(dòng)置於斜面上的物體時(shí)，物體的重力G與斜面形成夾角為 ɑ 的力三角，拉力F2除克服物體在斜面上的摩擦阻力ü Gcosɑ外，還受到重力分力的一個(gè)趨同移動(dòng)方向的

結(jié)論：傳統(tǒng)自行車的鏈條拉力F，是克服載重施于車輪的阻力F1阻和F2阻的。載重的全部作為正壓力體現(xiàn)在摩擦阻力F1阻 + F2阻中。

2.2.2 改變自行車輪軸受力方向的模型分析：

圖4是車插具有傾斜角度 ? 的自行車力學(xué)模型：置于第四象限的傾斜角為 ? 的車插將載重G 傳遞到輪軸上時(shí)，產(chǎn)生了一個(gè)夾角為 ? 的力三角：垂直于地面的正壓力

結(jié)論：傳統(tǒng)自行車的載重G是垂直作用于自行車輪軸上的，行駛時(shí)要克服載重施於車輪的阻力F1阻和F2阻。而當(dāng)將車插具有傾斜角度時(shí)，置於第四象限的傾斜角為 ? 的車插，將載重G 傳遞到輪軸上時(shí)，即產(chǎn)生了一個(gè)夾角為 ? 的力三角： 合力為載重G的，派生出的垂直于地面的正壓力G cos? 和 趨同于移動(dòng)方向的輔加力G sin?。

自此，騎行者和載物的重量不僅僅被視為阻力，它還是行駛中的自加力來源。從幾個(gè)特殊角度的量化結(jié)果得出： 自加力的效果是顯著的，只當(dāng) ? 為45? 時(shí)，省力效果是最大的。

這樣的，將騎行者的重量和載重轉(zhuǎn)換成減少驅(qū)動(dòng)力的自加力，是否就盡于完善了呢？還有其他的可以轉(zhuǎn)換成減少驅(qū)動(dòng)力的自加力嗎？我們還應(yīng)作深入地挖掘，答案是有的。

2.3自行車上的沖擊載荷和利用

2.3.1 自行車上的沖擊載荷

由牛頓的力學(xué)定律：狀態(tài)的改變就產(chǎn)生了力，慣性也是-種力。蹬踏自行車時(shí)身體狀態(tài)的改變會(huì)有力的產(chǎn)生，騎自行車常有遇凹洼而顛波，使屁股沖撞車座而生疼，也是由沖撞力而造成的。

結(jié)論：

對(duì)自行車上力的尋找，轉(zhuǎn)換和應(yīng)用的過程，感覺身邊的科學(xué)比高深的科學(xué)還難，這現(xiàn)象不符合人對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的規(guī)律，能使物體獲得重量的力，不但是物體的重量，還有狀態(tài)改變產(chǎn)生的力，慣性力和沖撞力，使其力為弊，為利？其結(jié)果大不一樣。

2.3.2 沖擊載荷的利用

蹬踏自行車時(shí)，身體狀態(tài)改變產(chǎn)生的力，和遇凹洼而產(chǎn)生的顛簸沖撞力，雖瞬間存在卻大可利用，即便這種自加力是在大小變化的并且斷續(xù)的。

圖5所示的改變輪軸受力的自加力自行車模型圖，相同于專利 ZL20161015443.8的結(jié)構(gòu)。

如圖5所示：這種結(jié)構(gòu)將騎行者的載荷通過鉸座端的平衡彈簧，作用于第四象限的傾斜角為 ? 的后車插上時(shí)，輪軸將會(huì)額外獲得一個(gè)大小不一的，變量的沖擊力F，與載荷疊加在輪軸上的夾角為 ? 的力三角上，產(chǎn)生-個(gè)助推行駛的自加力 F + ΔF。

結(jié)語：

探討作用于自行車上的力的性質(zhì)和變化， 尋得了可使自行車省力的途徑。

（1）騎行者和載重的載荷力G；是傳統(tǒng)自行車全力克服的阻力之正壓力。

（2）騎行者和載重狀態(tài)改變時(shí)所產(chǎn)生的沖撞力F； 對(duì)傳統(tǒng)自行車的阻力是種增量。

（3）改變作用于輪軸上載荷力G的方向，載荷力G作為合力將派生出趨同于移動(dòng)方向的輔加力G sin?。成為助行的自加力之一。

（4）改變作用于輪軸上變量沖擊力P的方向，沖擊力P作為合力將派生出趨同于移動(dòng)方向的輔加力ΔPsin?。成為助行的自加力之一。

（5）兩個(gè)疊加的自加力F+ F”使騎行更省力。

2.4電動(dòng)自行車騎行時(shí)長的延長

結(jié)論

依功率學(xué)說而言，騎行時(shí)長t等于電池容量Q除以電機(jī)輸出功率P。 從輸出功率P的力源探究出發(fā)，改變作用于輪軸上載荷力G的方向，載荷力G作為合力將派生出趨同于移動(dòng)方向的輔加力G sin?。

成為助行的自加力之一。還有沖擊力P作為合力將派生出趨同于移動(dòng)方向的輔加力ΔPsin?的自加力之二，省了力的騎行結(jié)果是輸出功率的減小， 騎行時(shí)長的延長.

參考文獻(xiàn)

[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]專利名稱：一種自加力的輪式車輛[P].中國專利：ZL20161015443.8，2017-08-01.

指導(dǎo)老師：周新民endprint