自行车中的物理原理
自行车 物理原理 结构 刹车 摩擦力
日常生活中有许多事物看似非常简单,但却涉及了许多深刻的物理问题,需要运用物理学原理去解释。通过对这些事物的分析研究,能够将物理学融入到实际生活中,拉近学生与物理的距离,提高学生的学习兴趣,并有助于培养学生发现问题、解决问题的能力,促进学生形成科学的思维方法。自行车是学生非常熟悉的一种交通工具,其中却蕴含了很多物理问题。下面通过探讨自行车中的几个物理问题,说明如何将物理知识与生活实际相结合,用物理知识解释生活中的现象。自行车主要由支撑架构、车轮、传动装置、转动装置和制动装置五个部分组成。它的每一个部分都包含着许多不同的物理问题。
一、 自行车的基本结构
自行车结构虽不复杂，但是每一部分的设计都有着丰富的物理原理。要研究自行车，首先要研究的便是自行车的基本结构。下面，我们通过图文结合的方式来了解下自行车的基本结构。
自行车的整体结构
自行车的前端
自行车的坐垫
自行车的前轮
自行车的牙盘
自行车中部的三角支架
以上这些结构当中的物理原理不计其数，在这里我们举了以下三个例子：
1、自行车的车座为何设计成马鞍型？
答：因为这样可以增大人与车座的接触面积，减小车座对人的压强，人骑车时感到舒服，骑车不易感到疲劳。
2、车坐下的弹簧有什么作用？
答：弹簧可以起到减震作用。
3、自行车的手把、脚踏板、轮胎等处，为什么会做有凹凸不平的花纹？
答：这些凹凸不平的花纹可以通过增加接触面的粗糙程度来增大摩擦。
二、自行车车轮的物理问题
(1)自行车的轮胎是圆形
圆形有一个其他几何图形所不具备的特点,就是无论它进行怎样的旋转,通过圆心及圆上任一点的距离永远相等。这样就可以保证车轮在运转的过程中,车轮的重心时刻保持不变,且其动力臂和阻力臂也时刻保持不变,这样自行车才能运行平稳。
(2)自行车轮胎用橡胶制成,并充满气体自行车的车轮是橡胶制作的,并且橡胶内充满了空气。橡胶具有弹性,橡胶内的空气可以形成一个气垫,这样做可以减少自行车运行过程中所受到的冲力,达到缓冲减震的目的。即使人在非常不平坦的路面上行进,也不会有特别颠簸的感觉。并且橡胶与地面的摩擦力也较大。
(3)自行车在运转过程中的受力分析当骑自行车或推自行车行走时,人和自行车对地面会有压力作用。轮胎和地面之间不光滑,因此自行车车轮与路面之间会有摩擦力存在。下面对自行车所受的摩擦力 进行分析。
①推自行车时前后轮的受力情况分析图2为向前推自行车时自行车所受摩擦力的受力分析图。在向前推自行车时,自行车的前后轮都按逆时针方向滚动,自行车的齿轮这时是不转动的,两个轮子同时都受到了向后的滚动摩擦力的作用。
②骑自行车时前后轮的受力情况分析自行车在向前平稳行驶的过程中,人的双脚用力蹬脚蹬,使后轮转动。这时轮胎和地面之间没有相对运动,这时的摩擦力可以看成是静摩擦力。当后轮转动时,后轮和地面接触的地方,就相对于地面有向后运动的趋势, 所以后轮所受摩擦力的方向向前,为自行车提供向前运动的动力。前轮原来的状态是静止的,由于车身的推动,使前轮相对于地面运动方向也向前,所以受到地面对它向后的滚动摩擦力。因此,前轮是阻力轮,它受到向后的滚动摩擦力,阻碍车的运动;后轮是动力轮,它受到向前的静摩擦力,是自行车前进的动力。如图3当自行车加速运动时,自行车后轮为自行车的行驶提供动力,它所受的摩擦力向前。同时前轮阻碍自行车的行驶,它所受的摩擦力向后。因此,在自行车加速的过程中,自行车后轮的摩擦力大于前轮的摩擦力和其他阻力之和。自行车自然进行减速时,人的脚停止蹬踏车轮,前轮和后轮同时受到向后的摩擦力,这时没有动力提供给自行车。自行车由于只受到摩擦力的作用,根据牛顿第二定律,速度逐渐减小。当自行车紧急刹车时,由于惯性人会感觉到身体有向前倾斜的趋势。刹车时应尽量使用后刹车或前后同时刹车。如果只使用前刹车,自行车的前轮停止运动,保持静止状态,而此时自行车的后轮,还在保持转动状态,由于惯性的存在,自行车的后半部分还存在向前的运动趋势,就可能导致人和车由于有向前倾斜的趋势而翻车。
三、变速齿轮中的物理原理
自行车的运动主要是将人脚交替对脚踏板的压力转化为车轮与地面的磨擦力，转化的重要部分是自行车的传动部分。
自行车的传动部分主要是由脚蹬“飞轮”、链条及后轮四部分组成。下面浅谈一下自行车传动部分的工作过程。
人在骑车时，两脚交替把脚蹬踩下“牙盘”转动，由于“牙盘”和“飞轮”的小齿和链条相互咬合，带动了后面飞轮的转动，自行车后轮向前运动，使自行车向前行驶。在新型变速自行车中，中轴链轮上有几个直径不同、齿数不同的齿盘
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