✔ 最佳答案
單車駕駛
物理學中的力學主宰著所有物體的運動方式。因此,單車的運動方式也可以以物理理論來解釋及預測。在本文章中我將會以簡單的力學向大家詳細解說兩項單車的基本動作,就是起動及轉向。
首先我想與大家談談的是起動,因為在進行任何動作之前都要令到單車移動,這是單車最基本而必要的動作。可能有人會認為起動是一非常簡單的事情,只要踏下腳踏就可以,但其實當中牽涉的事就並不簡單了。
在講解這兩項運動前,大家一定要對物理有個初步的概念,我會向大家介紹兩道物理公式,這就是牛頓力學第二定律。
F = m X a - F是力的大小,m是物體的質量,a是物體的加速度。而這公式的意思是指物體的加速度是取決於力的大小及物體的質量。
T = F X r - 這公式是用來計算力矩的大小,力矩是力對物體作出旋轉能力的量度。這公式的含意是力矩的大小是取決於力的大小及旋轉的半徑(力與旋轉中心的距離)。
而兩條公式中的因果關係都是力是因,旋轉或加速是果。
可能大家並不知道,是甚麼力量令到單車由靜止的狀態到以一定的速度移動。大家或者會以為是腳的力量令單車移動,但這個答案並不完全正確。因為正確推動單車的力量是單車胎與地面的磨擦力。當你踏下腳踏時,車輪是以與前進的反方向旋轉,與此同時,車輪與地面的接觸會形成一種靜磨擦力,推動單車向前進。而單車的加速度則可以以上述的公式起(F = m X a)計算。以這公式推論,如果想單車加速得快就要減少單車的重量或加大推動單車的力度,所以很多人會選用輕量化的零件,另外,最簡單加大推動單車力度的方法有兩個,一是增加車胎與地面的磨擦力,即是更換與地面有更好接觸的輪胎,另一個方法就是轉換齒輪的比例,即是所謂的「轉波」,因為這可以調節由腳踏傳來的力與車輪輸出的力的分配。而礙於本人有限的物理知識,更詳細及複雜的方法和解釋則不在此篇章的範圍內。
在起步之後,我想與大家探討一下轉彎的問題。其實,在力學的角度而言,轉彎其實是一種圓周運動,因為在平常的情況下,轉彎所走的路線是圓形的一部份,所以牛頓力學中圓周運動的公式可以應用在單車轉彎的問題上。在講解轉彎問題之前,我想向大家介紹一下圓周運動的公式。這是以下解釋中最重要的一部份。
F = mv2/r -在此公式中,F是向心力,是用來改變物體的運動方向的,m是物體的質量,v是物體的運動速度(也可以說是過彎速度),r是物體運動的圓形半徑。這公式在往後的解釋中是必要的。
而這公式中的因果關係就是力是因,改變運動方向是果。
那麼在單車這個例子中,改變單車運動方向的力是從何而來呢?其實力的來源與起動時力的來源一樣,就是輪胎與地面的靜磨擦力。而我們在轉彎時改變車頭的方向就是要把靜磨擦力的方向改變,令到磨擦力是用來改變單車的運動方向而不是用來加速。根據以上的公式,如果想在同一彎角上提升過彎的速度,你要注意以下幾點︰
加大F,即是之前提過的車胎與地面的磨擦力,可以透過換胎來增加。
減少m,即是減低車身的重量。
加大r,即是減少轉彎時的弧度,要做到這點,就必須要以外-內-外的線位入彎。即是入彎時要靠外線,之後把車駛進彎心,出彎時要靠外線,這就是外-內外的線位了。
以內-內-內的線位過彎的圓半徑是比以外-內-外過彎的小得多,如果要保持此線過彎的話,過彎的速度會大大減慢,雖然路線是短了,但也彌補不了速度上的損失,所以,如果想以最高速過彎,良好的線位觀念比更換零件更為重要,而且這樣做你才可以把單車的性能發揮至極限。
補充一點,要在雨中安全行車就要以比晴天時低的速度過彎,因為雨水會減少車胎與路面的磨擦力,令到可容許的極限過彎速度減少。
之後想與大家探討的問題就是轉彎時駕駛者要作出傾斜的問題,其實這樣做是為了讓身體平衡而非單純為了輔助轉向。原因請看下圖︰
在圖中所示,W是單車及其駕駛者的重量,R是地面給予單車的反作用力,f是車胎與地面的磨擦力,a是重心和車胎與地面接觸點的距離,h是重心與地面的距離。在轉彎的時候,地面的磨擦力提供了作出圓周運動的向心力,與此同時,它也製造了一個順時針方向的力矩,它的大小是f X h。此力矩會令到單車作出轉旋。要平衡這個力矩,我們便要傾側身體,令到重心與車胎、地面的接觸面有一個距離,這樣的話就可以令到地面的反作用力做出一個逆時針方向的力矩,其大小為R X a。根據這個關係推斷︰
f X h = R X a
mv2h/r = mga
a/h = v2/rg
tanθ = v2/rg
在以上的推衍中,g是重力加速度,θ是駕駛者傾側的角度,在第一個步驟中,f = mv2/r是因為向心力是由地面的磨擦力提供的,R = mg是因為地面的反作用力與單車及駕駛者的重量相等。以上述推算的算式來說,當單車的過彎速度愈高,又或者是彎角的半俓愈小時,駕駛者所需要傾側的角度就愈大。如果車速很高而駕駛者不作傾側的話,就不可以成功轉彎。
總括以上的論點而言,車胎的特性對起步及轉彎都有相當的幫助。另外,如果想用單車跑得更好的話,就最好想想如何利用轉彎線位來提昇過彎速度。不過影響單車性能的因素還有很多,例如懸掛系統,而所牽涉的物理問題實在很多兼且非常深奧,在此不能盡言此。希望大家看過這篇文章之後能提高閣下的單車知識,培養出一套正確的駕駛意識。