二輪滑板的機械原理,小物件大智慧

2021-01-09 機械設計老司機

何為二輪滑板?

二輪滑板車是一種新型的滑板,也稱為「陸地衝浪板」。和普通的四輪的滑板不一樣,它只有兩個輪。因其運動起來像龍和蛇一樣扭動,所以國內多大稱為「龍板」或「活力板」。

原理

二輪滑板車的輪子偏轉一定角度後,它會向一個受力最小的方向偏轉,也就是側前或側後運動,因此它是蛇行的(運動路線是S形)。這是利用了滑板車前輪的歸正性來運行。人的身體扭動而產生扭矩,加上運用技巧,可以把人的扭動能量的一部分轉化為動能,使二輪滑板車前進(普通的四輪滑板車直行,主要靠人腿後蹬提供能量)。

和普通的四輪滑板不同,玩者只利用腰部、臀部和雙腳的扭動,以及手的擺動就可以驅動活力板前進。S線行進還有保持平衡的作用,這不像自行車那樣有車把手來調節方向和平衡作用(二輪滑板車也有把手的類型來輔助調節平衡),所以只能用身體的運動來協調。

使活力板前進的推動力來源於輪子與地面間的靜摩擦力。輪子的結構決定了只要輪子繞轉軸轉過一個角度β,輪子與地面間的靜摩擦力F沿運動方向的水平分量驅動活力板前進。所以在光滑的路面上,靜摩擦力不存在,活力板無法前進。在做該項運動時,操作者的雙腳在板面上要不斷地用力前後擺動,目的就是為了保持角β一直存在,即角β的必須依靠外力才能保持。

「活力版與普通滑板都是靠地面摩擦力作為前進的驅動力。區別僅在於:普通滑板靠運動員的直接蹬地產生的摩擦力推動前進,而活力板間接通過後輪的摩擦力推動前進。運動員蹬板可有前後對稱或反對稱兩種模式,兩種模式均能引起輪架的傾斜,使作用於輪緣的摩擦力產生向前的運動效應。技術熟練的運動員能正確控制輪架的傾斜方向使滑板維持前進運動。交變的摩擦力橫向分量使前進運動具有蛇形遊動的獨特形式。反對稱蹬板模式使前後板之間出現相對扭轉,摩擦力橫向分量的方向相反,所構成的力偶推動滑板繞垂直軸轉動,以適應滑板轉彎時的需要。」

知識擴展

兒童玩具扭扭車

有三對輪子。前面一對轉向輪很小,懸在空中,僅僅在地面不平時起到避免碰撞車體的作用;最後是兩個承重輪,人就座在它們的正上方,它們承受著絕大部分的力,騎乘者的重力作用線也通過它;處於中間的與轉向輪同軸的兩個輪子是主動輪,就是它們特殊的工作方式使車子前進的。

原理

扭扭車利用了離心力原理和人體運動中的慣性原理,僅靠左右轉動方向盤,就可隨意前後行駛。

扭扭車利用了離心力原理和人體運動中的慣性原理,僅靠左右轉動方向盤,就可隨意前後行駛。開始運動時,將車把轉向一邊,車把和主動輪焊接在一起是個整體,所以輪子也會轉向同一邊。這時輪子將參與兩種運動:在軌跡的切線方向,輪子在轉動軸的帶動下有向後運動的趨勢,地面給它的摩擦力沿切線反方向向前;

另一方面,在指向圓心的方向,輪子做圓周運動,地面又給它的摩擦力的效果提供向心力,方向指向轉動圓心。兩個摩擦效果合起來,對車產生向前的推力,車子做加速運動。

當輪子轉過中心線後,由於切線速度的方向轉向切線前方,摩擦力會隨之轉向後方,阻礙車子的運動。但車子已經在開始階段積累了動能,它可以靠慣性繼續向前,這一段過程車子做減速運動。接著當人向反方向轉動方向盤時,輪子的轉動方向開始向後,摩擦力向前,又開始重複前

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