113 學年度分科測驗物理考科 第 26 題

財團法人大學入學考試中心基金會

一台具有三段變速系統的腳踏車(如圖10),其前齒盤的齒數為38齒,後齒盤組有相同轉軸但齒數分別為14、19與26齒的3個齒盤。鏈條套在前齒盤和後齒盤上,當前齒盤轉動1齒,後齒輪盤也跟著轉動1齒;且齒盤齒數與齒盤半徑成正比。

圖11為腳踏車驅動過程的示意圖:(ⅰ)騎士對踏板施力,經長度 L 的踏板曲柄對前齒盤的轉軸產生力矩、(ⅱ)使前齒盤轉動並施力於鏈條上、(ⅲ)鏈條上的力傳遞至後齒盤產生力矩、(ⅳ)後齒盤將此力矩傳遞至驅動輪(後輪),即為腳踏車的驅動力矩驅使車輪轉動。

車輪轉動對路面產生往後的摩擦力,路面也同時對車輪施加往前的反作用力,此即為驅動腳踏車往前的力。已知後輪的半徑為 R,若以腳踩踏板施加相同垂直力 F 於長度 L 的踏板曲柄上(如圖11),且車輪相對於路面為靜止狀態時,改變前齒盤與後齒盤之間的齒數比,使鏈條對後輪產生最大驅動力矩,則此時僅由 F 所產生驅動腳踏車往前最大的力為何?(需有說明或計算過程)(3 分)

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