自行车49290.ppt
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1、高中物理课题自行车自行车指导老师:汪宏勣指导老师:汪宏勣自行车的发展自行车的发展自行车的简介自行车的简介自行车的材料自行车的材料自行车与物理自行车与物理自行车的未来自行车的未来自行车的安全自行车的安全自行车的文明自行车的文明自行车的结构自行车的结构小游戏小队成员谢谢观赏小队成员:徐加欢韦达胡琼鲍奕捷陈阳栋金多多洪昱昕汪老师返回自行车,又称脚踏车或单车,是通常二轮的小自行车,又称脚踏车或单车,是通常二轮的小型陆上车辆。型陆上车辆。一般以人骑上脚踩踏板驱动。一般以人骑上脚踩踏板驱动。英文bicycle的bi意指二而cycle意指轮。在中国大陆、台湾、新加坡,通常称为“自行车”或“脚踏车”,在香港、
2、澳门则通常称为“自行车”。很多国家和地区认为自行车是车辆,常常要求适当配备甚至是要向政府相关部门登记领取车牌后始得上路。有些地方要求夜间行车时自行车要使用车灯。中华人民共和国的交通法规将自行车列为一种非机动车。在香港,自行车属于“非机动车辆”,无须领有牌照,但在路上行驶时,须遵守和机动车辆一样的交通规则。自行车是真正的绿色交通工具自行车是真正的绿色交通工具自行车是现有的最清洁方便的交通工具。它与其他交通自行车是现有的最清洁方便的交通工具。它与其他交通工具相比有以下优点:工具相比有以下优点:(1)它的价格低廉,养护和维修都较简单,而且受地域它的价格低廉,养护和维修都较简单,而且受地域限制小,使用
3、也比其他交通工具简单得多。限制小,使用也比其他交通工具简单得多。(2)自行车是真正的零污染交通工具,它不需要任何燃自行车是真正的零污染交通工具,它不需要任何燃料,完全依靠人力。而其他交通工具,如汽车,火车,摩托料,完全依靠人力。而其他交通工具,如汽车,火车,摩托车等均需要煤或石油加工的产品作燃料。这一方面消耗了过车等均需要煤或石油加工的产品作燃料。这一方面消耗了过多的矿产资源,加速了世界的能源危机,直接影响了人类的多的矿产资源,加速了世界的能源危机,直接影响了人类的工业和科技的发展。另一方面,煤和石油中均含有硫,燃烧工业和科技的发展。另一方面,煤和石油中均含有硫,燃烧后产生二氧化硫,产生酸雨,
4、严重危害人类的健康。矿物燃后产生二氧化硫,产生酸雨,严重危害人类的健康。矿物燃料的燃烧还会产生二氧化碳气体,这会造成温室效应,使全料的燃烧还会产生二氧化碳气体,这会造成温室效应,使全球气候变暖,加速两极冰山的融化,使海平面升高,到那时球气候变暖,加速两极冰山的融化,使海平面升高,到那时人类将会遭到灭顶之灾。因此,在科学家尚未找到使用氢这人类将会遭到灭顶之灾。因此,在科学家尚未找到使用氢这类清洁能源方法之前,使用自行车仍是环保的最佳选择。类清洁能源方法之前,使用自行车仍是环保的最佳选择。(3)此外,骑自行车还有助于锻炼身体,它可以使人身此外,骑自行车还有助于锻炼身体,它可以使人身体强健,减少肥胖
5、,从而能很好的预防诱发其他各种疾病。体强健,减少肥胖,从而能很好的预防诱发其他各种疾病。十分有利于人的健康。十分有利于人的健康。返回1790年,有个法国人名叫西夫拉克有个法国人名叫西夫拉克,他特别爱动脑筋。有一天,他行走在巴黎的一条街道上,因为前一天下过雨,路上积了许多雨水,很不好走。突然,一辆四轮马车从身后滚滚而来,那条街比较狭窄,马车又很宽,西夫拉克躲来躲去幸而没有被车撞倒,还是被溅了一身泥巴和雨水。别人看见了,替他难过,还气得直骂,想喊那辆马车停下,讲理交涉。西夫拉克却喃喃地说:“别喊了,别喊了,让他们去吧。”马车走远了,他还呆呆地站在路边。他在想:路这么窄,行人又那么多,为什么不可以把
6、马车的构造改一改呢应当把马车顺着切掉一半,四个车轮变成前后两个车轮他这样一想,回家就动手进行设计。经过反复试验,于于17911791年第一架代步的年第一架代步的“木马轮木马轮”小车造出来了。小车造出来了。这辆小车有前后两个木质的车轮子,中间连着横梁,上面安了一个板凳,像一个玩具俱似的。由于车子还没有传动链条,靠骑车人双脚用力蹬地,小车才能慢慢地前进,而且车子上也无转向装置,只能直行,不会拐弯,出门骑一会儿就累得满身大汗。刚刚出现的新东西总是不那么完善的。西夫拉克并不灰心,他继续想办法加以改进。可惜,不久他因病去世了。1886年,英国的斯塔利,是一位机械工程师,从机械学,运动学的角度设计出了新的
7、自行车样式,为自行车装上了前叉和车闸,前后轮的大小相同,以保持平衡,并用钢管制成了菱形车架,还首次使用了橡胶的车轮。斯塔利不仅改进了自行车的结构,还改制了许多生产自行车部件用的机床,为自行车的大量生产利推广应用开辟了宽阔的前景,因此他被后人称为“自行车之父”。斯塔利所设计的自行车车型与今天自行车的样子基本一致了。1888年,爱尔兰的兽医邓洛普,从医治牛胃气膨胀中得到启示,他把家中花园里用来浇水的橡胶管粘成圆形,打足了气,装在自行车轮子上,前往参加骑自行车比赛,居然名列前茅,引起了人们极大的兴趣。充气轮胎是自行车发展史上一个划时代的创举,它增加了自行车的弹性,不会因路面不平而震动;同时大大地提高
8、了行车速度,减少了车轮与路面的摩擦力。这样,就根本上改变了自行车的骑行性能,完善了自行车的使用功能。18901890年后,英国的亨伯公司生产出一种用链条传动的、车为菱年后,英国的亨伯公司生产出一种用链条传动的、车为菱型的自行车,这种形式的自行车一直沿用至今。型的自行车,这种形式的自行车一直沿用至今。由此可知,从由此可知,从1818世纪末叶世纪末叶起,一直到起,一直到2020世纪初期,世纪初期,自行车的发明和改进,经自行车的发明和改进,经历了大约历了大约200200年的时光,年的时光,有许多人为之奋斗不息,有许多人为之奋斗不息,才演变成现在这种骑行自才演变成现在这种骑行自如的样式。如的样式。返回
9、 自行车的材料有已往使用的铬钼钢以外、自行车的材料有已往使用的铬钼钢以外、还有铝、钛、碳纤、镁等不断出现新材料。还有铝、钛、碳纤、镁等不断出现新材料。出现了不少用这些新材料制成的车架。出现了不少用这些新材料制成的车架。用在自行车上的材料用在自行车上的材料 杨氏弹性模量杨氏弹性模量(GNmGNm-2)-2)铬钼钢铬钼钢 (低合金低合金钢钢)200-207)200-207 铝合金铝合金 69-79 69-79 钛钛 116 116 钛合金钛合金 80-130 80-130 碳纤碳纤 70-200 70-200 镁合金镁合金 41-45 41-45 从上表可知铬钼钢的弹性率最高,镁合金从上表可知铬钼
10、钢的弹性率最高,镁合金的弹性率最低。弹性率将决定材料刚性的强的弹性率最低。弹性率将决定材料刚性的强弱,对自行车来说该数据是很重要的。弱,对自行车来说该数据是很重要的。在自行车的100年历史当中,铁素材是刚性与重量方面都均衡的理想素材。铁制车架的最大特徵是可在各种成份,各种粗细厚薄的铁管中,任意选择所需要的铁管进行加快。因此可以选择最适合于的尺寸、刚性、骑感的车架,这对于数毫米的差异也敏感的老车手来说是很有好处的。它的最大的缺点是比起其他的素材重(过去)。但是最近的铁素材车架经过热处理,把薄的管道做成粗的管来使用,其重量不会输给轻的合金。铬钼钢是铬、钼的合金。它的性能如下:淬火性好。对回火处理的
11、抵抗性大。回火脆性倾向少。高温加工性好,加工后美观。熔接性好。铬钼钢车架的优点(1).加工性好(2).冲击的吸收性能好(3).焊接容易(4).价格便宜铬钼钢车架的缺点(1).容易生锈(2).金属的疲劳显著(应力集中引起的金属疲劳)铬钼钢(Fe-Cr-Mo)很久以前就有用铝合金制作的车架。轻而价格低是它的优点。但是从轻来说,当前与铁素材比较相差并不大。老车手对它的反应是虽轻但易弯曲。虽然经过多次改进,但是始终克服不了杨氏弹性模量低的缺点。最近的铝合金车架,为了提高杨氏弹性模量,加大管道外径,使用扁平管,或者对铝管进行热处理等,制造出轻而有刚性的车架,这种最新的铝合金车架对车手来说,具有足够的轻量
12、与刚性。铝合金是纯铝中加入Mg,Zn,Si,Cu等金属的合金。铝本身具有轻量、可塑性好、耐腐蚀等优点,加入其他金属后显著提高了机械性能。铝合金车架的优点(1).可以制作重量轻的车架 (2)长时间使用外观不怎么变化铝合金车架的缺点1).铝是弹性率及刚性低的材料。(2).需要进行热处理 铝合金(Al-Mg-Si,Al-Zn-Mg-(Cu))美国在60年代首次使用钛合金来制作自行车车架。钛合金给人的印象是轻而硬。早期的钛合金车架,作为比赛用车,刚性不足,其车架不适合于长距离赛车,也不是适用于所有的比赛,只适合用在山岳,等需要轻型车的特定的场合。开始时钛合金使一些人着迷,曾经有些热中于轻量化的骑手,把
13、所有的螺丝都换成钛合金制的才满意。钛金属给一些人错觉,贵而稀有,实际上钛是地球上埋藏量丰富的元素之一。只是由于合金的制作成本高,价格才较贵。金属钛比重轻、强度大,同时耐腐蚀性高的材料,一般用在特殊的环境里。在金属钛里添加铝、钒(Li.V)时强度显著提高,热处理也和铝合金一样通过时效处理可以提高强度。钛合金车架的优点(1).可以制作轻量而强度大的车架(2).不生锈(3).骑感好钛合金车架的缺点 价格高。近来有些铝合金车架比钛合金车架价格贵。钛、钛合金(Ti,Ti-Al-V)碳纤维车架的特徵是轻、不弯曲、冲击吸收性好,但是,充分发挥碳纤维的优异性能,在技术上看起来不是那么容易,各碳纤维材料厂家之间
14、的品质差异也较大。自行车厂家考虑到成本问题,不大可能使用高等级的碳纤维来制作车架。虽然存在上述的现实问题,但是碳纤维车架还是具有其他素材所没有的优点,可以制造8、9kg左右的轻量自行车,这种碳纤维轻量自行车,登坡时最能体现其优点,登坡顺利而爽快。而不会像一些轻的铝合金车架,登坡时感到有一种向后拉的力量。碳纤维是把碳纤维用树脂凝固成形的东西。非常轻,但它是具有方向性的材料(拉伸强但容易断),因此采用把薄料层层重叠的方法来解决缺点。碳纤维车架的优点(1).可以制作重量轻的车架(2).冲击吸收性好(3).可以制造各种形状的车架碳纤维车架的缺点(1).复杂的应力计算(2).难于更改尺寸(3).老化 碳
15、纤维 (CERP)镁合金 镁的比重很轻(1.74),约铁的1/5,钛的2/5,铝的2/3。它是不容易腐蚀的活性金属。它广泛用在各种领域里,如照相器及电脑的外框、车辆的车圈等配件。通过合金化耐腐蚀性也得到进一步提高。镁合金车架的优点(1).可以制造重量轻的车架(2).加工性好镁合金车架的缺点(1).耐腐蚀性差(2).镁的杨氏弹性模量(决定刚性的因素)比铝低许多,要增加其刚性管的直径要大,这可能会影响对空气的阻抗。铬钼钢和环境的关系 涂漆加工粗糙以及没有防锈加工的车架,铬钼钢管表面和涂漆之间开始腐蚀,涂漆部分彭胀起来,或者局部受到腐蚀。若发现自行车受伤,建议把受伤部位擦乾净并用锤刀搞平伤口,防锈加
16、工后涂漆。总之伤口是腐蚀的最大原因。另外,发生应力多的部位也容易生锈,如焊接周围,弯曲部位等。廉价的自行车,焊接后没有热处理(消除应力退火)就出货,这种自行车若发生生锈,局部或整体不断地腐蚀下去。铝和环境的关系 铝从外观上看起来是相当耐腐蚀的材料。尤其是经过铝表面钝化处理的强度更大。这种处理是除了美化表面外,在铝的表面形成的多孔质地-A1203(氧化铝),用滚水或蒸气处理,封住其孔(如禧码诺XT.XTR)。氧化铝非常耐腐蚀,不被一般的酸溶解(如盐酸、硝酸等),只能溶在氟酸等强酸。它也使用在研磨剂里,可见它的耐腐蚀性极强。碳纤维和环境的关系 碳纤维含有树脂因此也可以说耐酸。但是对碳纤维来说应多考
17、虑内在因素,它用树脂因此树脂老化的可能性是存在的。碳纤维制自行车不使用时应该避开阳光,日光和环境的温度对它的影响最大。钛和环境的关系 耐腐蚀性极佳(被使用在和原子能有关的部门),不怕雨水、不怕受伤、沾上水滴也不用抹乾净。用这种材料制作自行车实在浪费。但是钛也有缺点如前述(异种金属腐蚀),如铝制配件和钛制配件接合在一起时逐渐被腐蚀掉。除了钛之外,其他金属之间也会发生异种金属腐蚀,尤其是坐管部位,例如,把铝制坐管和铬钼钢车架接合在一起而不管它时,接触面变成褐色,甚至于无法把它们解脱下来。返回自行车消失是文明的倒退自行车消失是文明的倒退如今,发达国家在经历了工业化、城市化、现代化带来的喜悦与富足后,
18、如今,发达国家在经历了工业化、城市化、现代化带来的喜悦与富足后,无论是政府、企业,还是非政府组织和市民,都在冷静思考:如果快乐生活是建无论是政府、企业,还是非政府组织和市民,都在冷静思考:如果快乐生活是建立在对自然无休无止掠夺的基础上的,这种快乐能维持多久?在个背景下,即使立在对自然无休无止掠夺的基础上的,这种快乐能维持多久?在个背景下,即使是拒绝在京都议定书上签字的美国人,也十分注重自身环境保护的。为了减是拒绝在京都议定书上签字的美国人,也十分注重自身环境保护的。为了减少汽车尾气排放造成的污染,美国不少城市规定,如果一个人开车不许上高速路。少汽车尾气排放造成的污染,美国不少城市规定,如果一个
19、人开车不许上高速路。这就有了一幕幕很奇怪的景象:如果谁某日突然起早了,在城市街道旁驻足,立这就有了一幕幕很奇怪的景象:如果谁某日突然起早了,在城市街道旁驻足,立即会有素不相识的驾车者朝他开过来,打开车门邀请他上车。因为如果驾车人邀即会有素不相识的驾车者朝他开过来,打开车门邀请他上车。因为如果驾车人邀请到了请到了4个人同乘一辆车,这辆车就可以上高速路了。不但如此,美国很多州都已个人同乘一辆车,这辆车就可以上高速路了。不但如此,美国很多州都已实施了鼓励人们采用自行车出行方式的措施。实施了鼓励人们采用自行车出行方式的措施。在欧洲大陆,很多城市有机动车禁驶日。这个日子最早是由机动车驾驶者自在欧洲大陆,
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