https://4rdp.blogspot.com/2017/03/force-model-of-bike-during-turning-part3.html?m=0
近日在
FB 物理同好會社團,討論一篇
腳踏車力學模式二問題,從討論串中給了我一個靈感,對此問題,重新描述數學模型,望請專家們給予指正。
圖左上方圓圈為人車的質心,因地心引力有一向下的力 mg,m 為人車的質量,g 為重力加速度,另外,腳踏車因轉彎等速圓周運動產生 f 離心力,這兩個力量以輪胎觸地點為支點,車身高度 h 為力臂,形成一個平衡力矩,讓車子不會倒下或直立,維持 θ 角度的傾斜。
Σ L = h(mg sin θ) - h(f cos θ) = 0
離心力 f 與車速 V 及迴轉半徑 R 有關,公式如下:
f = mV
2 / R
雖然找到轉矩平衡方程式,但是也要有輪胎觸地平衡方程式,維持 XY 座標不變,才能讓整個腳踏車力學模式完全平衡。F 為 mg 與 f 的合力,沿著車身向輪胎觸地點施力,X 軸產生 F sin θ 力量向右,Y 軸產生 F cos θ 力量向下。因此
Σ Fy = N - F cos θ = 0, N 為正向力,是 F cos θ 的反作用力
Σ Fx = μN - F sin θ = 0, μN 為摩擦力,也是 F sin θ 的反作用力
重新整理算式
從 Σ L 可得
R = V2 / (g tan θ)
從 Σ Fy 可得 N = F cosθ
從 Σ Fx 可得 μN = μF cos θ = F sin θ
μ = tan θ
實際代入數值,分別得
θ = 90 - 53 = 37 度
μ = tan θ = 0.75
m = 80 公斤
V = 4 米 / 秒
g = 9.8 米 / 秒
2
因 R = V
2 / (g tan θ) = 2.2 米,人車重心之曲線半徑。
重心與輪胎著地點之距離為 h sin θ = 0.72 米
因此,輪胎著地點起算的迴轉半徑為 2.2 + 0.72 = 2.92 米
F = mg cos θ + f sin θ
= mg cos θ + (mV
2 / R) sin θ
= mg (cos θ + tan θ x sin θ)
= 80 x 9.8 x (0.8 + 0.75 x 0.6) = 980 牛頓
車胎與地面摩擦力為 μN = F sin θ = 980 x 0.6 = 588 牛頓