題:
車手的體重增加了多少胎壓?
xpda
2014-04-19 03:17:11 UTC
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當一個人坐在自行車上時,由於額外的重量,輪胎中的氣壓必須上升。在無人騎行自行車上使用700x23輪胎中的100 PSI,當100磅重的騎手坐在自行車上時,氣壓是多少?一個200磅的騎手?

輪胎在人行道上形成的“斑點”必須從基本上沒有增加到足以抵消騎手重量的區域。但是輪胎壓力不需要增加太多就可以做到這一點,尤其是在100 psi時。大概可以算出(大約)多少壓力增加,但是數學會涉及圓環的體積,等等,這是我不會碰到的(特別是因為我接下來的兩個星期在度假)。
請考慮:如果您有一個無限大的輪胎(或至少一個非常大的輪胎),其最高可承受50 psi的壓力,且輪胎上承重50磅,則接觸面為1平方英寸。再增加50磅,接觸貼片增加到2平方英寸。輪胎中的壓力增加了一倍嗎?不,接觸面積的增加“承受”了所有增加的重量,壓力根本沒有上升。
@DanielRHicks-也許我遺漏了一些東西,但是您的推理似乎有缺陷:您斷言補丁增加到2平方英寸(因為使用50 psi數字),然後使用2平方英寸斷言壓力沒有上升。我可以說輪胎重100磅,貼片達到1,2英寸,psi達到83.34,或者數字的任何其他組合……還是我錯過了您解釋的關鍵要素?
@mac-這是一個無限大的輪胎。
@DanielRHicks-好吧,現在我明白了,儘管我可以爭辯說,如果我在上面坐著一個無限沉重的車手...;)
@mac-輪胎將無限打平。
@Blam-如果輪胎很大,並且接觸面積從1平方英寸增加到2平方英寸,則承重能力增加了一倍,但壓力升高可忽略不計。輪胎越大,壓力成比例地增加的越少。
(要點是,您無法為增加輪胎負荷時增加多少壓力定義通用公式。這不是一個簡單的比率。)
也許這是一個簡單的公式。取試管的內部面積,也許為78平方英寸。將輪胎充氣至100 psi。添加一個150磅的騎手。 150磅是否在78平方英寸中均勻分佈(假設沒有輪胎剛度)?如果是這樣,這將增加大約小於2 psi。接觸面積的增加將成比例。我對此不確定,但似乎合理。
五 答案:
Móż
2014-04-19 14:48:39 UTC
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作為第一近似值,您可以使用零。

但更準確地說,對於23mm的輪胎,您內部的空氣直徑可能約為20mm。 700c車輪是ISO 622,因此內徑為311mm。因此,您的管會形成一個圓環,長半徑為321,短半徑為10mm。一升是立方分米(立方米的1/10或一面10厘米),因此使用dm更容易。這樣,大半徑= 3.21dm,小半徑= 0.1dm。

環形線圈的體積= 2π²小²大= 2π²0.1²3.21 = 0.63升

現在,在200磅重乘員的情況下,在100磅/平方英寸下,展平面積為2平方英寸或1290平方毫米。因此,我們希望具有該平坦區域的環形截面的體積。方便地,該截面為橢圓形,因此面積為π(大半徑)(次半徑)(而圓為πr²,因為兩個半徑相同)。首先近似地說,短軸是輪胎寬度的一半(大約10毫米),然後看看會發生什麼:

a =πR r => R = a /πr = 1290 /10π= 41mm

這似乎有點不足,但這似乎是合理的,那麼體積是多少?不幸的是,環形截面的體積超出了我生鏽的微積分,所以我要作弊。

首先,這代表什麼弧形?

正弦角θ= 41/321 =>θ= 0.0004弧度(大約7°)

大約等於平坦點中心的每側3.5°。

深度有多深?因為對於小x,正弦X = x,並且我們肯定有小x,所以如果我們從平坦點的中心離開20.5mm,則長邊上將有一個20.5mm的直角三角形。短邊是如上所述,正弦為3.5°:

深度= 20.5 *(20.5 / 321)= 1/321 = 0.003mm
= 0.00003dm(因為我們正在使用dm進行體積計算)

如您所見,這是一個非常平坦的形狀,所以即使是粗略的金字塔近似也不會有太大的意義(如果它的係數是5或10,那麼它就沒什麼關係了,它仍然會是“

方便地,我們可以將金字塔的體積表示為底面積的一個因子:

volume金字塔的高度= 1/3高度*底部面積

從上面開始的面積為1290mm²,我們需要除以100²以得到dm²,以進行體積計算= 0.129dm²

丟失的體積= 1/3 * 0.00003 * 0.129 = 1.34e -6 sup>升

原始體積的百分之幾是這個嗎?

分數變化=損失體積/總體積= 1.34e -6 sup> / 0.63 = 2.12e -6 sup>

看,即使超出了十分之一,我們仍然看到體積變化為10 -5 sup>。因此,壓力變化將大致相同,即實際壓力變化為1 / 1,000,000。

如果這是XKCD傢伙的“假設”,那麼我現在要算出您必須胖得多使輪胎體積發生明顯變化。但是我不是,所以我不是。

太棒了!當然,數字是原來的兩倍,因為每個車輪只有大約一半的重量。一無所有還是一無所有:-)
@andy256,但什麼都不是:)而且OP大約是100磅車手和200磅車手,所以實際上有兩個答案:分別為5e-7和1.06e-6。那些零變得越來越小。
您可能對[我的類似答案的計算](http://physics.stackexchange.com/a/133044/26969)感興趣-特別是您可能想嘗試用我的公式計算輪胎的扁平輪胎的體積。我認為結論將非常相似。
@Floris我認為您使用橫截面積作為體積的代名詞?對於“矩形環形”汽車輪胎來說,這更準確,但即使對於自行車輪胎,它也非常接近。對於我們正在談論的零大小,我同意差異也接近零:)
@Mσᶎ-是的,這正是我所做的。當您包含另一個維度時,最終會得到一個補丁,該補丁同時變長和變寬,因此,體積將隨著$ L ^ 4 $縮放,但與力的關係(在$ L $中呈線性關係)在我的分析中)變為$ \ sqrt {L} $($ A = L \ cdot w $),因此最終表達式在$ P $中變為二次方(因此$ P ^ 2 $而非$ P ^ 3 $)。
Wayne Johnston
2014-04-19 03:33:35 UTC
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我確定可以計算出來,但是我的自行車只有幾步之遙,所以測量壓力變化似乎更容易。我連接了帶壓力表的地面泵,並在700x23輪胎上將後輪胎泵至100 psi。然後,我坐在馬鞍上,看著壓力表。它沒有動。我站起來,第二次嘗試了同樣的結果。我確定它有所變化,但是比我的泵上基本壓力表的分辨率小。也許這只是一個糟糕的實驗設計。

我的體重約為180磅。

因此,通過兩次試驗進行實驗,答案是壓力變化不大。

不,Cole的圖表未測量壓力的增加,只是簡單地指出了給定重量的“建議”壓力。
我認為它必須準確。我自己檢查了一下(在帶有氣門嘴的輪胎上),並得到了相同的結果-從45上升了1 psi。
不,這是一個出色的實驗,您說對了,問題出在壓力表的分辨率上,這是對的。
Jaap Eldering
2014-04-19 15:44:56 UTC
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有一種非常簡單的方法可以準確地估算出這一結果:使用 Boyle氣體定律,該定律表明壓力和體積的乘積是恆定的。因此,如果輪胎中的空氣量減少了10%(我認為這是一個極大的高估),那麼新的體積V2將是舊的體積V1的0.9倍。因此,新壓力P2必須是舊壓力的1 / 0.9 = 1.11倍,即壓力增加了11%。我的結論是,如果輪胎首先具有足夠的壓力來支撐您,那麼壓力幾乎不會受到人的體重的影響。

看它的有趣方式。 100 psi的公路自行車輪胎幾乎不會變形,因此壓力不會有太大變化。但是,充氣不足的輪胎會變形很多。當然,它只會變形直到碰到輪輞,在這種情況下,輪輞會支撐您而不是輪胎氣壓。為了獲得最大的壓力變化,您需要一個沒有充分充氣不足的大型輪胎,以便獲得最大的變形量。
mwatad
2014-07-13 23:01:44 UTC
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計算解的另一種方法:

輪胎中的壓力為100psi。壓力等於力除以面積。內胎內部的表面積(對於700x23c輪胎)(非常)大約為7.2cm x 210cm = 1512cm平方[或以平方英寸= 234insq]。因此,空載車輪上涉及的總力為100“磅/平方英寸” x 234平方英寸= 23400“磅”。通過坐在自行車上,一個人又增加了100磅重,從而增加了力量,即23500磅。假設內管不改變表面積,即與地面接觸的牆體變形但總體上未拉伸或縮短,那麼最終壓力將為23500磅/ 234平方英寸= 100.4磅/平方英寸。總體而言,壓力增加了0.4%。

我對以前的帖子使用了不同的假設/近似值:

  1. 我的內管尺寸實際上是外部尺寸

  2. 在適當的壓力下,假定輪胎(以及內胎)沒有可測量的拉伸。類似地,假定輪胎壁從彎曲到平坦的變形不會改變表面積大。

  3. 總體設計為相對快速的數學運算(為了便於閱讀,我簡化為更少有效數字),因此仍然容易出現較大的誤差幅度。
  4. ol>
這與我在6月5日發表的評論相符。
@xpda:,這也是錯誤的,就像您的評論一樣。即使只是看理想的氣體定律(PV = nRT),您也應該能夠猜到“壓力變化與體積變化有關”,並得出結論,沒有大量數學證明,任何僅談論面積的事情都有可能是錯的。特別是給定了一個使用音量來得出非常不同答案的答案。
paparazzo
2014-06-05 21:24:48 UTC
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輪胎與地面接觸時的所有變形都不會損失空間。
僅一部分變形代表空間損失。

如果我推入一個完美的圓形氣球,它將變形為其他形狀。氣球中的體積會下降,壓力會上升。但是音量的減小遠小於我的手移動的音量。是的,氣球是有彈性的,並且會膨脹。即使是無彈性的氣球也是如此。

在沒有負載的情況下,輪胎是圓形的。這不是偶然的。輪胎具有固定量的材料。輪胎的形狀將為固定數量的材料(圓形)產生最大的體積。在工作範圍內,我們正在檢查輪胎的周長是否不變-輪胎是否不會拉伸。

在負載下,輪胎會變形為其他形狀-橢圓形。
這不是完美的選擇橢圓形但非常接近。
並非所有因接觸區域而位移的區域都會丟失。
對於固定數量的材料,橢圓形不會產生太大的體積。
丟失的空間是圓形減去橢圓形。

一個圓的等式體積為:
πr²
由於輪胎的圓周(材料)恆定,因此應使用圓周c
c²/4π
橢圓的體積的等式是
πr1 r2
橢圓的周長(周長)很複雜,因此僅假設(r1 + r2)/ 2 = r

假設在負載下輪胎在最大排量處排量為r2 = 2r1。
在最大排量處高度減小了1/3。比率(在最大排量處)為:πr1 r2 /πr²
r1 r2 /r²
r1 * 2r1 /((r1 + 2r1)/ 2)²
2r1²/(3r1 / 2)2
2r1²/r1²*(3 / 2)²
2 /(3/2)²
2 /(3²/2²)
2 *2²/3²
8/9

大約10%在最大位移點處的體積損失。
在具有地面的貼片的整個長度上,(標稱)平均值為17 /18。

對於r2 = 2 r1,具有地面大約2 r

在700/25上

(50 * 17/18 +(700π-50))/700π
(700π-50(1-17/18))/700π
(700π-50/18)/700π
1-(50 /(18 *700π))
1-.001263
.998738

壓力與體積成反比
因此,壓力增加
1.00126472900.13%

讓我們看一下50mm X 25mm
5 * 2.5 /(2.54)²* 100 psi = 193磅的貼片如果我放200磅在700 X 25和100 psi下,貼片尺寸和高度減小1/3似乎是正確的。200磅力將壓力提高00.12%似乎是正確的。

我意識到我從丟失的所有位移中看到了Moz。
如果僅丟失了一部分位移,則我的數字應該小於他的數字。
我沒有查看他的數學。
不要試圖證明他錯了-這就是我的看法。

沒錯,我忽略的輪胎皮膚會產生位移效應。但是,然後您似乎假設橫截面面積以與體積相同的比率變化,我懷疑這是不正確的。如果您從處理環形線圈的體積而不是圓形區域開始,並重複數學運算,我認為您可能會比我的答案更好。但是,我懷疑,您會將我的最終數字修改了不到1%...而我們正在談論的是非常小的零值:)
-1
否決票解釋?真的不同意嗎?


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