Polkupyörä ja fysiikka

Polkupyörän toiminta perustuu:

            Ketjun taipuisuus pienistä osista

            Voimansiirto hammaspyörien suhteesta

            Kappaleen hitaus

            Tukipinta-ala ja painopiste

Polkupyörän liikkeen ylläpitäminen perustuu polkupyörässä löytyviin hammaspyöriin, jotka ovat yhdistetty toisiinsa ketjuilla. Ketjun taipuisuus on saatu aikaan rakentamalla ketjut monista pienistä osista, jotka pystyvät liikkumaan kiinnitysakselinsa ympäri muodostaen muiden samanlaisten osien kanssa taipuisan ketjun. Tämän lisäksi ketjun sisällä on taipuisuuden mahdollistamiseksi tyhjää tilaa, johon hammaspyörissä olevat hampaat mahtuvan. Tämä estää hammaspyörien pyöriessä ketjun lipsumisen ja etummaisen hammaspyörän pyöriminen (joka pyörii polkemisen vuoksi) saadaan siirrettyä mahdollisimman tehokkaasti takimmaiselle hammaspyörälle (joka vuorostaan pyörittää rengasta).

Vanhanaikaisissa pyörissä, joita kutsutaan myös mummopyöriksi, on vain kaksi hammaspyörää mutta uudemmissa pyörissä on useita hammaspyöriä. Hammaspyörien määrän avulla polkupyöriin saadaan vaihteet. Vaihteet perustuvat hammaspyörien ulkokehän suuruuseroon/hampaiden määrään siten, että mitä suurempi etummainen hammaspyörä on taimmaiseen nähden sitä kevyempää mutta hitaampaa eteneminen on. Kun etummainen hammaspyörä on pienempi, se joutuu pyörimään useamman kerran samaan aikaan kuin takana oleva isompi hammaspyörä pyörähtää kerran.  Jos etummainen hammaspyörä on taimmaista suurempi, tilanne on päinvastainen. Eli, kun etummainen hammaspyörä pyörähtää kerran takimmainen hammaspyörä on pyörähtänyt useamman kerran jolloin myös takarengas pyörii nopeammin ja eteneminen on nopeampaa. Näin ollen erilaisilla hammaspyörien yhdistelmillä polkupyörään saadaan enemmän vaihteita.

Alla olevassa linkissä on hammaspyöristä havainnollistava apletti:

http://woodgears.ca/gear_cutting/template.html

Polkupyörän pystyssä pysyminen perustuu kappaleen hitauden, eli kappaleen taipumukseen säilyttää asemansa, sekä tukipinta-alaan ja painopisteeseen. Painopisteeksi kutsutaan pistettä, josta kappale voidaan tukea niin, että se pysyy tasapainossa. Kun polkupyörän ja pyöräilijän yhteinen painopiste (noin satulankohdalla) pysyy pyörän renkaiden ja niiden väliin muodostuvan pinta-alan sisällä pyörä pysyy pystyssä.

Tehtävänanto:

Perehtykää valitsemanne laitteen toimintamekanismeihin ja laitteeseen liittyvään fysiikkaan. Käytä apunasi esimerkiksi kuvia.