Ha tutto a che fare con il cambio e l'abbinamento della velocità di rotazione ottimale del motore con le ruote (in parole povere).

Immagina di avere un motore che sviluppa la sua potenza massima tra 3500 e 5000 giri / min. Ora immagina che il veicolo non sia dotato di ingranaggi. A 60 mph, una ruota e un pneumatico di circa 2 piedi di diametro ruotano a circa 840 giri / min. Aumenta la velocità a 80 mph e quella ruota gira ancora solo a circa 1120 giri / min.

Puoi vedere come la potenza massima del motore non viene raggiunta a velocità legali su strada. Combina questo con il fatto che sotto diciamo 600 giri / min, la maggior parte dei motori delle auto si fermerà, il motore non sarebbe mai in grado di far muovere l'auto.

Per questo motivo, vengono scelti rapporti che ottimizzano comunemente la potenza massima alle velocità richiesto per l'uso su strada in relazione ad accelerazione, crociera, salita su pendii e traino.

Le decisioni effettive coinvolgono anche fattori quali l'economia di picco del motore, il rumore e il comfort, l'uso del veicolo (ad esempio, le auto "sportive" in genere hanno rapporti "ravvicinati"), il numero di marce e qualsiasi numero di altri fattori.

Tutto ha a che fare con la distanza percorsa per 1 giro di ingresso.

Su una bicicletta ci sono 3 fattori. L'ingranaggio anteriore, l'ingranaggio posteriore e il diametro del pneumatico.

Il rapporto tra i denti dell'ingranaggio posteriore e il numero di denti dell'ingranaggio anteriore è il rapporto del cambio. Se la marcia anteriore è più grande, la ruota girerà più di 1 giro per giro in ingresso. Se la marcia anteriore è inferiore a quella posteriore, la ruota girerà meno di una volta per giro.

La coppia viene moltiplicata per il rapporto di trasmissione. Gli ingranaggi sono un equilibrio tra l'uscita della coppia e il regime richiesto per spostare una determinata velocità. Questo è il motivo per cui la maggior parte dei veicoli ha una trasmissione con più marce per una migliore accelerazione nelle marce più basse e un regime inferiore (quindi una migliore distanza in miglia del gas e una velocità massima più elevata) nelle marce più alte.

Rapporti più alti:
anteriore più piccolo, posteriore più grande
Coppia più elevata
RPM più elevati richiesti per la stessa velocità

Rapporti inferiori:
più grandi anteriore, posteriore più piccolo
Coppia persa
numero di giri inferiore richiesto per la stessa velocità
può raggiungere una velocità maggiore al regime massimo

Il diametro del pneumatico gioca un ruolo anche come il complessivo il rapporto è quanto ti muovi per giro di input. Uno pneumatico di diametro maggiore sarà come avere un rapporto di trasmissione inferiore, mentre uno pneumatico di diametro minore sarà simile a un rapporto di trasmissione più alto.

Facciamo un giro di qualche numero. niente di vero, solo tirare fuori i numeri dall'aria.

15 davanti, 40 dietro, pneumatico da 22 pollici:
22 * ​​pi * (15/40) = 25,9 pollici per giro di ingresso
22 * ​​pi * (15/40) / 12/5280 * 1000 * 60 = 24,5 MPH / 1000 RPM

consente di cambiarlo a 20 denti in avanti:
22 * ​​pi * ( 20/40) = 34,5 "per giro in ingresso
22 * ​​pi * (20/40) / 12/5280 * 1000 * 60 = 32,7 MPH / 1000 RPM

consente di cambiarlo in 35 denti fuori indietro:
22 * ​​pi * (15/35) = 29,6 "per giro di ingresso
22 * ​​pi * (15/35) / 12/5280 * 1000 * 60 = 28,0 MPH / 1000 giri / min

consente di modificare la misura dello pneumatico in 24 ":
24 * pi * (15/40) = 28,2" per giro in ingresso
22 * ​​pi * (15/40) / 12/5280 * 1000 * 60 = 26,822 MPH / 1000 giri / min

Ora che ci penso, ignora completamente la trasmissione. Hai il motore attraverso i rapporti di trasmissione, quindi gli ingranaggi della catena / cinghia / ruote dentate che fungono da rapporto di trasmissione finale.

Il numero di denti in una ruota dentata è limitato dal raggio della ruota dentata. Supponendo una distanza di collegamento standard (per catena di bicicletta) di 1/2 pollice, il raggio è un numero basato su n dove n è un multiplo intero di lunghezze di 1/2 pollice. Poiché la circonferenza è 2 * pi * r, la relazione 1/2 * n = 2 * pi * r deve essere mantenuta. Risolvendo per r, r = 1/4 * n / pi.

Quindi per la serie n = 18,19,20 ..., 43,

  pollici n1 .432394488 181,511971959 191,591549431 201,671126902 211,750704374 221,830281846 231,909859317 241,989436789 252,06901426 262,148591732 272,228169203 282,307746675 292,387324146 302,466901618 312,546479089 322,626056561 332,705634033 342,785211504 352,86478897 362,944366447 373,023943919 383,10352139 393,183098862 403,262676333 413,342253805 423,421831276 43  

Non vedo che nessuna delle altre risposte sia completa, ovvero descriva il motivo per cui le biciclette differiscono dalle motociclette.

La differenza è la fonte di energia: gli esseri umani rispetto ai moderni motori a combustione / motori elettrici.

Gli esseri umani sono come i motori a vapore. Gli esseri umani producono potenza a un regime estremamente basso. Ciò si traduce in uno scarso rapporto potenza / peso: gli esseri umani producono da circa un quinto a un terzo di una potenza per un essere umano di 70 kg, il rapporto potenza / peso è di 0,003 - 0,005 cavalli per chilogrammo.

Al contrario, un 100 kg Il motore dell'auto produce 100 CV, il rapporto peso / potenza è di 1 CV per chilogrammo. I motori elettrici sono ancora migliori in questo: il motore di Tesla produce 362 cavalli per 32 kg o 11,3 cavalli per chilogrammo.

Come fanno i motori elettrici e i motori a combustione interna a raggiungere una potenza così elevata per chilogrammo? La risposta è RPM, velocità di rotazione. La potenza è la coppia moltiplicata per RPM. La coppia del motore di un'auto è in realtà piuttosto scarsa: un motore di un'auto da 100 kg produce forse 170 Nm, o 1,7 Nm per kg. Un essere umano di 70 kg che utilizza scarpe che si attaccano ai pedali su pedivelle da 170 mm produce 70 kg (peso) + 25 kg (tirando su dalla scarpa posteriore) + 25 kg (spingendo sulla scarpa anteriore una quantità equivalente) + 30 kg (tirando su da manubrio), o 150 kg o circa 1500 Netwons per 0,17 metri, pari a circa 250 Nm. Quindi: 250 Nm per 70 kg o 3,6 Nm per kg. È più di un motore per auto!

Sfortunatamente, gli esseri umani possono pedalare solo a circa 100 giri / min. Al contrario, i motori delle auto funzionano fino a circa 7000 giri / min e i motori elettrici fino a circa 20000 giri / min.

La scarsa coppia erogata di queste macchine artificiali viene compensata operando a velocità di rotazione enormi / RPM. Gli esseri umani non potranno mai raggiungere questo obiettivo.

Per capire perché il cambio è diverso su biciclette e motociclette, guarda la risposta accettata: si tratta di RPM. Ma per capire perché gli RPM sono diversi, penso che la mia risposta sia necessaria.

A proposito, la mancata corrispondenza RPM è anche il motivo per cui le biciclette elettriche hanno impiegato così tanto tempo per materializzarsi e perché anche oggi non sono ottimali. L'uomo vuole pedalare tranquillamente a 60 giri / min, mentre un buon motore elettrico vorrebbe girare a 20.000 giri / min. La mancata corrispondenza viene solitamente risolta costruendo un motore elettrico scadente che gira a soli 200 giri / min a 25 km / he posizionandolo sul mozzo della ruota. Non è un problema perché questi poveri motori producono solo 250 watt, una frazione di quello che potrebbero produrre se girassero a 20.000 giri / min (25.000 watt = 33,5 cavalli). Per i ciclomotori (ciclomotore significa veicolo a motore a pedali), la mancata corrispondenza è stata risolta eliminando i pedali, quindi nonostante il loro nome i ciclomotori non hanno più pedali.

Inoltre, il motivo per cui i ciclisti seri non lo fanno. utilizzare i mozzi del cambio interno è lo stesso: il motore a vapore peculiare come le caratteristiche degli esseri umani. Penso che solo il costosissimo Rohloff resista a 250 Nm al movimento centrale ... Se il ciclista pesa più di 70 kg, lo si supera già. Inoltre, il motivo per cui le parti di biciclette si guastano a un ritmo eccezionale e le parti di automobili non si guastano a un ritmo così elevato è lo stesso. Presumo che anche le parti del motore a vapore si guasti spesso.