鮑倚天

摘 要：本文主要通過流體力學(xué)理論，對(duì)自行車在行駛過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。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)

在自行車的行駛過程中的壓力阻力一是來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。在行駛過程中，隨著速度的提高，空氣阻力也隨之增加，

下面的圖片來自知名空氣動(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。不過空氣動(dòng)力特性越佳。不過在實(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，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)：

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