單車輪組慣性大小的正確觀念-轉動慣量

許多車友間在討論輪組好壞時,最常說的就是這輪子的慣性大很好騎,平路速度很好帶,爬坡又輕快..等等,但到底何謂"慣性"呢?

在討論"慣性"前你需要先知道物理學對於一個物體於其旋轉運動的慣性大小的量度:"轉動慣量"

在此先問各位車友一個輪子轉動快慢的問題如下圖:
單車輪組慣性大小的正確觀念-轉動慣量

這張照片裡有2個大小及質(重)量都相同的輪子(都10KG重),上面各放了8個一樣重的砝碼,差別在2個輪子上的砝碼分佈的位置不同,一個輪子砝碼分布在中心,另一輪子砝碼則分布在最外側

問:這2個質量一樣的輪子,放在一個長2公尺傾斜5°的軌道上,手放開讓他自由下滑,哪一個輪子會轉得較快先到終點?

請先回答完再看下面的影片答案~~
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答案: 影片直接示範給你看


轉動慣量跟物體的質量分布有關

另附上中央大學物理實驗室所做的"質量分布對轉動慣量的影響"影片給各位參考:




#轉動慣量是物體對於改變其旋轉運動所產生的"阻力",
其大小取決於物體的質量及其"圍繞旋轉軸的分佈情況",故轉動慣量越低的輪子,推動它轉動所需的力量就越小,轉動速度也越快


實際上我問過的車友90%都是回答:砝碼靠外側那輪較快,這也代表著各位對輪組的"慣性"理解大都是錯誤的。

輪組不是越重慣性越好,而是要看他的質量分佈
框體(外側)重量越輕轉動慣量越低,而所需驅動他轉動的力量也越低,轉動速度越快


看完後各位對輪組的"慣性"好壞就能有更正確的認知。

也就可以知道為何職業車手比賽都幾乎使用管胎框的原因 (管胎框體不用做很厚的框唇來撐住外胎及胎壓,所以框體(外側)能做到很輕,這就是轉動慣量的質量分佈)。

#再舉些生活中的實例讓各位能更容易了解:

1.花式溜冰大家應該都很喜歡看,當選手要做美麗的高速旋轉時,雙手跟雙腳一定都是往身體內縮,這時就會旋轉的很快;當要放慢或停止旋轉時,只需要把手跟腳都向外伸展,旋轉速度就會立刻變慢。這可不是冰刀鞋上裝了煞車,這就是質量(重量)分佈與轉動慣量的關係。

2.跳水選手在跳水時的轉圈動作也是如此。選手一跳起後就捲曲身體或將手內縮做快速旋轉,入水前那一霎那再將身體伸直(質量外移)放慢旋轉入水。
Evo Bike~這世界有許多迷人的問題需要解決,我不喜歡虛浮的人事物,我尊重的是能力~
感恩師兄的用心,這比用文字論戰敘述明瞭許多。
有心意就好了!
框體重量 重 輕
起步帶動 費力 省力
行進間加速 稍慢 快
空轉滑行 久 短
轉動慣量跟慣性不同
這個影片是用來解釋轉動慣量的
同樣力量轉動慣量小,加速快
轉動慣量大,加速慢

而慣性是比較減速的快慢
同樣阻力的條件下
慣性大的減速慢,慣性小的減速快
減速慢的輪組速慣性大,速度比較好維持
慣性大需加速力大慣性小需加速力小
kevinw1125 wrote:
轉動慣量跟慣性不同...(恕刪)



轉動慣量又稱慣性矩,指的是一個物體對於旋轉運動的慣性,通常以I表示。

一質點的轉動慣量 I=mr^2 ,其中m是質點的質量,r是質點與轉軸的距離。




而轉動慣量跟剛體的質量分布有關

轉動慣量是物體對於改變其旋轉運動所產生的"阻力",其大小取決於物體的"質量"及其"圍繞旋轉軸的分佈情況",
故轉動慣量越低的輪子,推動他轉動所需的力量就越小,轉動速度也越快。


其實再說下去會要用到積分,而靜力學及動力學對於慣性的解釋也會有所不同,這會很複雜啦。
我喜歡以現實生活中的狀況來簡單的解釋輪子轉動慣量的影響:


以公路賽實際騎車時的狀況來說輪子就是處在不斷的加速~減速的過程(因為要發動攻擊甩開對手、或跟上對手的攻擊、或拉間歇消耗對手的體力等等)這時選手若使用轉動慣量大(框上重量較重)的輪子,你所要付出的功,就會比對手要多,加速反應也會較慢,這在菁英賽裡是很致命的。爬坡時也是一樣。

但今天若是TT賽或場地賽呢!!那情況就會不一樣,因為你是一直處在加速或保持速度的狀態,不會不斷的加速又減速,這時使用有空氣力學+轉動慣量稍大一的的碟輪或刀輪是最好的選擇(隨著速度越高,降低空氣阻力才是最有用的)。


而我們一般人在路上騎車,要停紅綠燈、要減速閃路上的三寶、要減速閃坑洞、要減速看妹(很重要~握拳)、要減速跟女車友聊天講幹話等等,就是處於不斷加速-減速的過程,這時該選擇何種框應該就較容易選擇了。

當然除非你說你騎車從不停紅綠燈、不看妹、不跟車友拉低賽等等,就是一路發大財幹到底的,那帥氣十足的碟輪或是一組2kg以上的輪子就是你的唯一選擇囉

Evo1ution wrote:
轉動慣量又稱慣性矩...(恕刪)

場地賽或計時賽的輪組應該不需要轉動慣量大吧!
應該是說空力設計比轉動慣量影響更大
而在為了顧及空力的條件下
不得不而較同材質的公路輪組有較大的轉動慣量或重量
如果轉動慣量需要大的話,那碟輪內部就不會是發泡填充的了
ms06j wrote:
場地賽或計時賽的輪...(恕刪)


恩..可能是我形容得有點過頭讓你誤解了。讓我想想要如何盡量簡單的解釋這物理上的現象。因為輪子開始轉動成動態後牽涉到的不光是慣性及轉動慣量而已。

1.轉動慣量跟質量(重量)的分布有關。
2.牛頓第二運動定律F=ma
而質量m較重的輪子轉動起來所產生的"F"也較大

3.空氣阻力公式:
F=(1/2)CρSV^2
C為空氣阻力係數;ρ為空氣密度;S為物體迎風面積;V為物體與空氣的相對運動速度

由此可知,空氣阻力與空氣密度,迎風面積成正比,與物體速度平方成正比,又物體的重力(mg)因質量而有所改變,所以會造成不同質量的物體在空氣中的速度減緩的快與慢。


簡單的說,TT賽使用慣量稍重一點的輪組(不是重到靠杯帶不起來3KG以上那種,我想你應該是這邊誤會了),但是也要質(重)量能往中心靠近的較好,這樣產生的力也較大,對抗空氣阻力的能力也較高,速度被風阻減緩也較慢。所以碟輪才會是在碟餅裡灌發泡做支撐而不是灌水泥讓他做支撐,這也是剛體質量分布對轉動慣量影響的一種。

所以還是要看輪子質(重)量的分佈啊~~~

不過是不是質(重)量分佈稍靠外側所產生的力量較大,對抗風阻的能力較高,這點我也是有點疑問(因為轉動慣量變大,人所需出的力量也會變大),不知是否有物理或材料力學的高手能解惑一下。
kevinw1125 wrote:
而慣性是比較減速的快慢
同樣阻力的條件下
慣性大的減速慢,慣性小的減速快
減速慢的輪組速慣性大,速度比較好維持...(恕刪)

錯了
在地球上,慣性越大的輪組,速度才越難維持

Evo1ution wrote:
恩..可能是我形容...(恕刪)

轉動慣量大或小並不會產生所謂的"力"來對抗風阻
所有提供來對抗風阻的能量都是騎士提供的(or偷裝中置電機XD)
當然你說的減速較慢是對的,但這並不影響車手所需要輸出的能量
等速運動時: 風阻作功+滾阻作功=騎士提供給車子的功
(可能還有一些亂七八糟的阻力,但都小到可以先忽略不計)
可以看到中間並沒有一項有轉動慣量參與
硬要說的話大概就是質量是有點影響,因為重的正向力會大些
滾動阻力也會比較大一點
但對於無法平均輸出的騎士來說,或許轉動慣量大一點確實有幫助
因為加減速都較慢,用較大的轉動慣量來滑順他的輸出
有點像幫怠速不穩的引擎裝一顆較大的飛輪的感覺
但選手應該不會有這樣的煩惱

另外有個小問題,轉動中的輪阻應該是不適用那條風阻公式的吧
想到幾十條幅條在轉就覺得案情一定不單純...
但我跟流力也不太熟,或許單車的情況可以近似?
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