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[摘 要]本文首先简单介绍了自行车行驶时空气阻力的形成以及空气阻力对行驶速度的影响，其次引用流体力学理论分析了气流阻力对前后挡板和高把自行车骑行的影响、气流侧力对实心轮毂自行车性能的影响，最后提出自行车外形设计方案，以期探讨流体力学在自行车外形设计中的应用，同时为相关工作人员提供一定参考。
[关键词]流体力学；自行车；外形设计；应用
中图分类号：TU731 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）45-0208-01
1 空气阻力的形成以及影响
空气阻力的计算公式为
在上面的式子中，C表示空气阻力系数，系数值为实验值，与物体的特征面积（即自行车的迎风面积）、物体表面的光滑程度以及整体形状有关；ρ表示空气密度，正常的干燥空气可取1.293g/L，如遇特殊条件进行实地检测即可；S表示物体迎风面积；V表示物体与空气的相对速度。通过上面的式子我们可以得知，一般情况下，空气阻力的大小与迎风面积、空气阻力系数成正比。自行车在空气中运动，空气也在流动，两者综合会产生相对运动，产生自行车阻力。而迎风面积在很大程度上取决于自行车的结构、外形的设计以及配件尺寸的大小，减小空气阻力主要是降低空气阻力系数，同时，在自行车行驶过程中，气流产生的升力也会对自行车的附着力有所影响，尤其是逆风行驶或者是包含横板材配件较多的自行车。
2 自行车骑行中空气流体力学特点
在自行车行驶过程中一方面压力阻力是由于车与人前面的气流被挤压，从而产生阻碍车前进的正压力；另一方面是由于在人与车后部和拐角处的空气变得稀薄而产生涡流，从而产生向后吸的负压力。人与车的外形大小、表面平整、光滑度都能够影响摩擦阻力。此外，人在踩脚蹬过程中产生的空气阻力、车轮转动也会在一定程度上影响空气阻力。
自行车和骑行者在运动过程中受到的空气阻力可以分为压力阻力和摩擦阻力。摩擦阻力是由空气的粘性在车身和骑行者表面产生的切向力的合力在行驶方向的分力；压力阻力是则是作用在自行车和骑行者及其相关配件表面上的正压力的合力在行驶方向的分力，压力阻力又可以分为诱导阻力、形状阻力、内循环阻力以及干扰阻力，其中形状阻力是压力阻力的主要组成部分，与车身的形状有直接的关系，干扰阻力是自行车及骑行者表面突起部分引起的气流干扰而产生的阻力，诱导阻力是空气升力在水平方形的分力。自行车运动过程中，随着速度的增大，空气阻力也会随着增大。
3 气流阻力对前后挡板和高把自行车的影响
气流升力对自行车性能具有一定的影响，在平地行驶的影响并不大，但如果在大风天气或者在山地骑行必须考虑气流升力的影响。在空气流经上下表面都不对称的扁形物体时，空气质点流经下表面比流经上表面的路程长，而流经后的空气质点又必须同时在后缘汇合，因此流经下挡板面空气质点速度低于上挡板面。根据伯努利定理，下板面的静压力大于上板面，上下板面之间的压差产生升力。气动升力会减小自行车胎对地面的压力，对自行车动力性以及制动性能都有一定的影响，同时气动升力降低轮胎侧向附着力和侧偏刚度，降低自行车行驶的稳定性。自行车受到的气动力与气动力矩和车速的平方成正比。因此，在自行车低速行驶的过程中，受到气动力的影响较小，当自行车高速行驶时，需要注意气动力的影响。以气流阻力为例，前挡板自行车的滚动阻力受空气升力的影响是随自行车速度增加而减少的；而自行车的气动阻力则是随着车速的增加以二次方的速度增加。
4 气流侧力对实心轮毅自行车性能的影响
大自然中大气的流动会形成自然侧风，根据类型的不同分为稳态风与非稳态风。侧风的大小以及方向都没有固定的规律，随着时间随机的变化。如图1所示，假设自行车行驶运动方向一致的气流速度为v0，侧风的风速为vs，气流的方向与自行车轴线的夹角为φ，侧风作用时相对于自行车运动的速度为。
当自行车受到侧向的风力时，就会在车身侧板的侧向边缘处产生强烈的气流。此外，侧向力还能够破坏自行车前部和后部之间空隙处正常的小涡流状态，而从背风面沿车身侧壁移动，在范围内形成旋涡稠密气流区，造成车身正前方的阻力增大，从而使自行车迎风面积上的空气阻力大为增加，最终改变自行车的原始形式方向。
5 自行车设计方案
如今在计时赛及铁人三项赛中，低风阻手把、低风阻轮、碟轮、流线型安全帽、水滴型管材车架，仍属UCI合法范围，从事竞赛的车手，为了更好的成绩，都在致力于减低器材以及姿势上的风阻，从而节约骑行者的体力、增加骑行速度。
为降低空气阻力，自行车设计过程中一般以碟轮、板轮为宜，在一定范围内越宽越好，空气动力性能也越好。此外，自行车的阻风面还包括来自身体、车架、手把、车衣、水壶架、安全帽、大齿盘、前刹车等方面的阻力。总体上，人体阻力约占70%，自行车阻力可以占到30%左右。以下为某自行车在25英里的个人计时赛改变设定和可节省时间的比较（表1）。
为了充分考慮空气动力的影响，自行车可根据空气动力学设计的碳纤维车架，后上部参考飞机机翼的设计，采取FACT碳纤维弧面翼型，减少空气阻力，使得骑行更快更顺畅。自行车的头管尺寸要按照符合空气动力学标准进行特殊设计，从顶部到底部去除所有尖锐的部分，增加刚性与强度，减少空气阻力。前部采取符合UCI标准的空气动力学碳纤维，提高强度，使自行车更加的坚固，与此同时，车架可采用内部走线的方式，内走线从手把进入到车架，然后从牙盘头管处出来，在提高自行车稳定性与刹车表现的同时，也减少了空气阻力。
结语
综上所述，流体力学是力学的重要分支。在自行车行驶过程中，受到绝大部分的阻力都是来自空气，因此在自行车设计时，首先要考虑空气阻力与自行车车身形状之间的关系，结合流体力学对自行车外形进行设计，以减小空气阻力，从而节约人力，提高自行车行驶速度。
参考文献
[1] 鲍倚天.流体力学在自行车外形设计中的应用[J].工业设计，2015，10：78-79.
[关键词]流体力学；自行车；外形设计；应用
中图分类号：TU731 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）45-0208-01
1 空气阻力的形成以及影响
空气阻力的计算公式为
在上面的式子中，C表示空气阻力系数，系数值为实验值，与物体的特征面积（即自行车的迎风面积）、物体表面的光滑程度以及整体形状有关；ρ表示空气密度，正常的干燥空气可取1.293g/L，如遇特殊条件进行实地检测即可；S表示物体迎风面积；V表示物体与空气的相对速度。通过上面的式子我们可以得知，一般情况下，空气阻力的大小与迎风面积、空气阻力系数成正比。自行车在空气中运动，空气也在流动，两者综合会产生相对运动，产生自行车阻力。而迎风面积在很大程度上取决于自行车的结构、外形的设计以及配件尺寸的大小，减小空气阻力主要是降低空气阻力系数，同时，在自行车行驶过程中，气流产生的升力也会对自行车的附着力有所影响，尤其是逆风行驶或者是包含横板材配件较多的自行车。
2 自行车骑行中空气流体力学特点
在自行车行驶过程中一方面压力阻力是由于车与人前面的气流被挤压，从而产生阻碍车前进的正压力；另一方面是由于在人与车后部和拐角处的空气变得稀薄而产生涡流，从而产生向后吸的负压力。人与车的外形大小、表面平整、光滑度都能够影响摩擦阻力。此外，人在踩脚蹬过程中产生的空气阻力、车轮转动也会在一定程度上影响空气阻力。
自行车和骑行者在运动过程中受到的空气阻力可以分为压力阻力和摩擦阻力。摩擦阻力是由空气的粘性在车身和骑行者表面产生的切向力的合力在行驶方向的分力；压力阻力是则是作用在自行车和骑行者及其相关配件表面上的正压力的合力在行驶方向的分力，压力阻力又可以分为诱导阻力、形状阻力、内循环阻力以及干扰阻力，其中形状阻力是压力阻力的主要组成部分，与车身的形状有直接的关系，干扰阻力是自行车及骑行者表面突起部分引起的气流干扰而产生的阻力，诱导阻力是空气升力在水平方形的分力。自行车运动过程中，随着速度的增大，空气阻力也会随着增大。
3 气流阻力对前后挡板和高把自行车的影响
气流升力对自行车性能具有一定的影响，在平地行驶的影响并不大，但如果在大风天气或者在山地骑行必须考虑气流升力的影响。在空气流经上下表面都不对称的扁形物体时，空气质点流经下表面比流经上表面的路程长，而流经后的空气质点又必须同时在后缘汇合，因此流经下挡板面空气质点速度低于上挡板面。根据伯努利定理，下板面的静压力大于上板面，上下板面之间的压差产生升力。气动升力会减小自行车胎对地面的压力，对自行车动力性以及制动性能都有一定的影响，同时气动升力降低轮胎侧向附着力和侧偏刚度，降低自行车行驶的稳定性。自行车受到的气动力与气动力矩和车速的平方成正比。因此，在自行车低速行驶的过程中，受到气动力的影响较小，当自行车高速行驶时，需要注意气动力的影响。以气流阻力为例，前挡板自行车的滚动阻力受空气升力的影响是随自行车速度增加而减少的；而自行车的气动阻力则是随着车速的增加以二次方的速度增加。
4 气流侧力对实心轮毅自行车性能的影响
大自然中大气的流动会形成自然侧风，根据类型的不同分为稳态风与非稳态风。侧风的大小以及方向都没有固定的规律，随着时间随机的变化。如图1所示，假设自行车行驶运动方向一致的气流速度为v0，侧风的风速为vs，气流的方向与自行车轴线的夹角为φ，侧风作用时相对于自行车运动的速度为。
当自行车受到侧向的风力时，就会在车身侧板的侧向边缘处产生强烈的气流。此外，侧向力还能够破坏自行车前部和后部之间空隙处正常的小涡流状态，而从背风面沿车身侧壁移动，在范围内形成旋涡稠密气流区，造成车身正前方的阻力增大，从而使自行车迎风面积上的空气阻力大为增加，最终改变自行车的原始形式方向。
5 自行车设计方案
如今在计时赛及铁人三项赛中，低风阻手把、低风阻轮、碟轮、流线型安全帽、水滴型管材车架，仍属UCI合法范围，从事竞赛的车手，为了更好的成绩，都在致力于减低器材以及姿势上的风阻，从而节约骑行者的体力、增加骑行速度。
为降低空气阻力，自行车设计过程中一般以碟轮、板轮为宜，在一定范围内越宽越好，空气动力性能也越好。此外，自行车的阻风面还包括来自身体、车架、手把、车衣、水壶架、安全帽、大齿盘、前刹车等方面的阻力。总体上，人体阻力约占70%，自行车阻力可以占到30%左右。以下为某自行车在25英里的个人计时赛改变设定和可节省时间的比较（表1）。
为了充分考慮空气动力的影响，自行车可根据空气动力学设计的碳纤维车架，后上部参考飞机机翼的设计，采取FACT碳纤维弧面翼型，减少空气阻力，使得骑行更快更顺畅。自行车的头管尺寸要按照符合空气动力学标准进行特殊设计，从顶部到底部去除所有尖锐的部分，增加刚性与强度，减少空气阻力。前部采取符合UCI标准的空气动力学碳纤维，提高强度，使自行车更加的坚固，与此同时，车架可采用内部走线的方式，内走线从手把进入到车架，然后从牙盘头管处出来，在提高自行车稳定性与刹车表现的同时，也减少了空气阻力。
结语
综上所述，流体力学是力学的重要分支。在自行车行驶过程中，受到绝大部分的阻力都是来自空气，因此在自行车设计时，首先要考虑空气阻力与自行车车身形状之间的关系，结合流体力学对自行车外形进行设计，以减小空气阻力，从而节约人力，提高自行车行驶速度。
参考文献
[1] 鲍倚天.流体力学在自行车外形设计中的应用[J].工业设计，2015，10：78-79.