自行车上的科学

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自行车转弯时,为克服离心力,人的身体通常会有意向转 弯方向倾斜,而且同时要减速,使摩擦力足够提供向心力。 减速时后刹不宜使用过猛,否则车子可能掉头或滑倒。
如果稍有留
意,你会发 现自行车走 的不是直线 而是曲线, 是在左右偏 移中前进, 这与科学的 进步十分相 似。
杠杆
控制前轮转向的杠杆:自行车的车把,
摩擦
• 摩擦力的应用——自行 车为什么能前进?
自行车也和其它车辆一样, 是靠车轮与地面的摩擦力前 进的。自行车由于自身有质 量、有自重,车轮和地面都 不光滑,压在路面上就会产 生静摩擦力。当人骑上自行 车,用力使自行车开始运动 ,后轮与地面产生静摩擦力 ,其方向与自行车前进方向 相同,所以推动自行车向前 运动。
但今天我们不说水中月镜中花(平面镜成 像),不说那美丽的彩虹 霓虹灯,也不说那肥 皂泡的五光十色;不谈花香为何扑鼻, 不谈水 中的铅笔变弯, 不说奇妙的海市蜃楼,不谈 死海不死,不说蝙蝠捕食,也不说为何北半 球的水涡逆时针方向旋转而南半球却是顺时 针,不说那壮观的钱塘江潮,不谈电闪与雷 鸣,不说黑洞 ,不说红外线加热红外线遥感, 不说全息照相------我们只说自行车
弹性
弹簧的减震作用 现在流行的自行车 中不少在车架上安弹 簧,其作用在于缓冲 外界压力的作用。
车的座垫下安有许多根弹簧,利用它 的缓冲作用以减小震动。因而坐在车后 的货架上的人会比坐在车前坐垫上的人 震动剧烈。
自行车的脚撑上也 利用了弹簧,弹簧 发生弹性形变时会 产生弹力使其恢复 原状,这就起到了 固定的作用。
小窍门 快速行驶的自行车,如果突然把前轮刹住,后轮
会跳起来。前轮受到阻力而突然停止运动,但人和后轮没有 受到阻力,由于惯性,人和后轮要保持继续向前的运动状态 ,所以车体会以前轮与地面的接触点为支点做转动。速度越 大则转动幅度越大。因此下坡或高速行驶时,要先刹后刹, 再刹前刹;或前后刹一起刹,决不能单独用自行车的前刹刹 车,否则会出现翻车事故。
后轴上的齿轮和后轮:组成费力轮轴, 齿轮半径小于后轮半径。

自行车也有声学—— 龙头上的车铃,这里有铃 声的产生传播它们有各 自的音色音调等等。
此外自行车也会“空车辘辘”
,不同的自行车的车速声音也会 不同。
光 自行车主要用到了光的反射
自行车尾部的反光镜,不论光 线从哪一个方向射入,反光镜 都能沿原来的方向把它射回去 。一般镜当然也能反射光线, 但光线必须遵守反射定律,所 以不能以入射的方向反射回去 (除非垂直射入的光线)。自 行车的反光镜有什么特别的构 造呢?
• 压力越大,摩擦力越 大——自行车为什么能 停止?
自行车的刹车是利用摩擦 力使自行车减速和停止前进 。当我们使用刹车时,刹皮 与车轮间的摩擦力,使车轮 停止运动或速度减小,车轮 与地面见的摩擦力由滚动摩 擦变成滑动摩擦,强大的滑 动摩擦力方向与自行车前进 方向相反,使自行车迅速减 速(或迅速停止运动)。
• 小窍门
急刹车时,滑动摩擦力对车辆外 胎磨损十分大,若使轮子总处于滚 动,而不滑动时,则可避免对车轮 磨损。因此可设想在自行车上另设 置一刹车备用(可金属、橡胶…… ),平时运动时,刹盘提起脱离地 面,刹车时,将刹盘按下与地面接 触,使刹盘在地面滑动,产生滑动 摩擦力,使车辆迅速减速直至停止 ,避免自行车外胎磨损。
座垫呈马鞍型,它能够增大座垫与人体 的接触面积以减小臀部所受压强,使人骑车 不易感到疲劳。
惯性
自行车在停放时,前后轮分别是两个支撑点---撑脚架起来保持平 衡(当然,旧式脚撑是U形的,此时由前轮与脚撑的两个脚支撑)。
但是自行车在行驶时却不会倒下,这是因为凡是高速转动着的物体都有 一种能竭力保持转动轴方向不变的能力.而自行车的前后轮在行驶时, 就是两个迅速转动着的物体,它也有保持转动轴方向不变的能力.这就 是为什么自行车在行驶时不会倒下的原因。
人们在骑自行车上较陡
的坡时,往往走“S”形路线 ,这是根据功的原理。坡长
相当于斜面长,坡高相当于
斜面高,根据功的原理: W1=W2,即FL=Gh,可 看出,斜面长L是斜面高h 的几倍,所用的力F就是重 力G的几分之一,所以,在 高度h不变的情况下,斜面 越长越省力,走“S”形路线 是为了增大斜面长,从而能 使用较小的力顺利上坡。
每踏蹬一周,车子向前运动的距离则为传动行程,也叫 速比行程。以s代表传动行程则 s=c/f×b×π
自行车变速的道理 后轮的转动是通过链条把中轴、后轴上的链轮飞齿轮相连 带动,两轮每个齿与各链条间的孔对应,大齿轮转过一个齿, 齿轮也一定转过一个齿,绝不可能打滑。 变速自行车是通过调整齿轮比来达到变速目的: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,后轴飞轮 有几个直径、齿数不同的齿盘,选择不同齿数的齿轮,通过链 条相连带动,后轮转动的快慢就改变了。
• 增大粗糙程度,增大摩擦 力——自行车外胎上为什 么有凸凹不平的花纹?
自行车的车胎、车把套、 踏板等处都刻有凹凸不平的 花纹以增大摩擦。如在刹车 时,车轮不再滚动,而在地 面上滑动,滚动摩擦变为滑 动摩擦,故车可迅速停驶。 而在刹车的同时,手用力握 紧车闸把,增大刹车皮对钢 圈的压力以达到制止车轮滚 动的目的。
• 齿轮比
动轮对被动轮的齿数之比为齿轮比。以g代 表齿轮比,c代表主动齿轮的齿数,f代表被动 齿轮的齿数,它们之间的关系用公式表示,即 :g=c/f如果两个齿轮的齿数相同,那末踏蹬一 周,两个齿轮和后轮都各旋转一周。假如主动 齿轮的齿数大于被动齿轮的齿数,那么每踏蹬 一周,被动齿轮转的圈数就大于一周,速度加 大。
走的距离长一些,故速度快;半 径大使轮轴的轴半径大,故费力
但是,也有一些自行车取消 了传统自行车的横杆或是进行 了其他改造,但实际上它们仍 然运用了三角形的性质。
一个车轮上共有36根辐丝,构 成一个网状结构,当给轮胎施加竖 直向下的压力时,车竖直方向上的 上下各六根辐丝受到压力,而水平 方向上的辐丝也受力。做实验可知 ,当用力压轮胎时,轮胎几乎没有 变形,而抽去轮胎水平方向两侧的 辐丝,再用力压轮胎,轮胎在竖直 方向会被压扁。因此自行车的轮胎 选用了辐丝交叉的方法,使整个车 轮稳固,可分散受力,避免因巨大 外力导致车轮扭曲变形。
当自行车在深雪里或是在一条柔软的
泥路上行进时,会感到自行车的两个轮 子好像不是圆的,因为踏起来很吃力.这 踏起来很吃力的原因就是由于车对泥 地的压强超过了泥地的弹性限度,泥地 里(雪地里)被压出一条深沟.车要前进, 就必需用力使自行车的两个车轮从沟
滚动摩擦力比滑动 摩擦力小——自行 车哪些地方安钢珠 ?为什么安钢珠?
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开场白
大千世界,物理现象及其应用随处可见: 从天上的风筝飞鸟飞机乃至火箭航天飞机卫 星银河系到水上的帆船水中的游鱼地下的石 油勘探地壳运动。
V R
V 1 R1
V V V R
V 1
2则
V R
2由
3 3 故
R1
V 2 R2
V R R2 V 3 R1 R3
• 传动比(传动系数)及传动行程
齿轮比乘以后圈直径即为传动比。以d代表传动比,b代表后 圈直径,它们之间关系用公式表示,即:d=c/f×b=gb 由此可见,齿轮比确定之后,传动比是与后圈直径成正比的。
*几个重要的概念: 传动装置:包括主动齿轮(轮盘)、被动齿
轮(飞轮)、链条及变速器。 齿轮比:主动齿轮(轮盘)与被动齿轮(飞
轮)的齿数之比; 传动比:齿轮比乘以后轮的直径; 传动行程:传动比再乘以圆周率即为传动行
程,即每蹬踏一周单车前进的距离。
自行车运动力学
– 自行车传动
自行车是传动式机械,它的传动装置包括 主动齿轮、被动齿轮、链条及变速器等。 齿轮比与传动比关系着自行车的使用效率 。后轮运转实质在于:在链条传动下的飞 轮带动后轮转动,飞轮与后轮具有相同的 角速度,而后轮半径远大于齿轮半径,由 线速度增大,提高了车速。
是省力杠杆,人们用很小的力就能转动自行 车前轮,来控制自行车的运动方向和自行车 的平衡。
控制刹车闸的杠杆:自行车制动系统中
的车闸把与连杆是一个省力杠杆,可增大对 刹车皮的拉力。人们用很小的力就能使车闸 以比较大的压力压到车轮的钢圈上。
中轴上的脚蹬和大齿轮:组成省力轮轴 ,由脚蹬半径大于大齿轮半径。
自行车车把与前叉轴:组成省力轮轴, 手握把外的半径大于前叉轴的半径。
即使光线不以自行车的反光
镜之中心轴入射,也能沿原 来的方向反射回去,这种镜 被称为回射镜。眼睛是看不 见完全回射镜的回射光线的 ,因为眼睛不可能正好位于 光源上。但大多数的反光镜 都制成略有些偏差,使回射 光束比入射光束宽。
车子向前进,必须借助于一定的力量。人每踏蹬一周的 力量,叫前进力,也叫向前推力。前进力与用力、传动比、 曲柄(即中轴到脚蹬的连杆)长有关。以Y代表前进力,Q 代表踏蹬力量,I代表曲柄长度,D代表传动比,则有
Y=Q×I/D
自行车车架利用了三角形最稳 定的性质,巧妙地分解了其所受 到的力的作用。
常见的自行车轮的直径有559mm (22英寸)、610mm(24英寸) 、660mm(26英寸)、711mm( 28英寸)的。骑28寸的比24寸的 车费力一些,但速度快,因为28 寸车轮的半径大,轮子每转一圈
的作用力,所以人会感到很吃力,这就像 节省动力,因为滚动摩擦比滑
人走在雪地里一样。
动摩擦小得多,用滚动来代替
“山地车”,它的轮子
滑动可以大大减小摩擦,并经
加宽,就能起到地面阻力 减少的作用,它的车胎很
常加润滑油,使接触面彼此离 开,摩擦变得更小、更省力。
宽,纹路很深,这样可以
减少地面的磨擦阻力而轻
松前行。
自行车在街上随处可见,但是你天天看见 天天骑,你对这种轻便无污染的交通工具了解 多少?
现在先让我们重新认识一下自行车:
左图为自行车的 基本结构
1:前轮 2:辐条 3:花 鼓 4:前叉 5:前刹 6:钢索 7:刹车及变 速把手 8:车把 9: 竖杆 10:车架 11: 前变速 12:车座杆
13:车座 14:后刹 15:货架 16:飞轮 17:反光镜 18: 后轮 19:后变速 20:脚撑 21:气门 22:后轮 23:链 条24:轮盘 25:脚踏 26:曲柄
里“抬”出来,车轮沉陷得越深,摩擦力 在自行车转动的地方,前轴
也就越大,“抬”出地面所需要的力也 中轴、后轴、车把转动处,脚
就越大.要使自行车能前进就要求泥地 蹬转动处、飞轮等地方,都安
里(雪地里)对自行车后轮有相当大的 有钢珠。转动地方安装钢珠是
向前推力,这就要求对踏脚板施加较大 为了减小摩擦力,保护零件,
自行车内胎充满了气体,当路 面不平给车胎带来冲击的时候 ,充气内胎的压缩和恢复有很 好的缓冲作用,减小了颠簸, 既保护了自行车,也减小前进 的阻力,也使人感到舒适。
压强
现代自行车使用充气内胎主要是利用质量一定的气体体积减小,压 强增大的原理。自行车的内胎充入了大量的空气,它是支撑车身的主 力。当充入车胎内气体不充足时,胎内压强小于外界压强,由P=F/S, F一定,而压强P减小,车胎与地面接触面积S增大。从而使原来的滚动 变为与地面滑动,摩擦力增加,影响到车的行驶速度。反之,当胎内 气体充足时,骑车时就可达到轻而快的效果。
大齿轮 盘
小齿轮 盘
大小齿轮之间用链 条相连,则大小齿 轮盘沿线速度大小 相同,
V1 V2
,而小齿轮和后
轮之间通过轮轴
后轮
固定,他们的角
速度
2 3
V R V 则由
,设后轮沿速度为
3 ,则
R V R 3 3 = 3
R V 2 R2
2
我们通过进一步研究 可知人踩踏板速度V和 后轮转动速度
Baidu Nhomakorabea
V 3 之间关系,踏板和大齿轮盘同轴,则
自行车上的科学知识
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