有关自行车的物理知识

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。

自行车车铃的把手经过手的拨动，带动了齿轮，齿轮使带有弹簧锤的轴旋转起来，弹簧锤敲打铃盖，车铃就叮铃响。拨动自行车的车铃能发声，是因为振动的物体能发声，用手按住铃盖，铃声振动停止。

光的现象：

自行车的尾灯的反射面由很多红色的立方体直角组，可以把照在尾灯上的光向各个方向反射，使车后各个方向上的人均能看到红色的光，以防止交通事故的发生。

摩擦的现象：

1．车的前轴、中轴、后轴上装有滚动轴承及润滑油，车轮是圆形的，是为了减少摩擦。

2．车外胎、把手塑料套和脚踏板上都刻有花纹，车的把手上有凹槽，是为了增大接触面的粗糙程度来增大摩擦。

3．若车铃不响，是因为轴与齿轮之间的咬合部分太涩了，加几滴油润滑，减小摩擦。

4．车把的塑料套紧套在车把套上，是为了增大与车把套的压力来增大摩擦。

5．刹车时，应用力捏车闸，是为了增大压力来增大摩擦。

6．旋紧自行车各种紧固螺丝，是为了增大压力来增大摩擦。

7．自行车的前轮为从动轮，摩擦力的方向向后，与运动的方向相反。后轮为主动轮，摩擦力的方向向前，与车运动的方向相同。紧急刹车时，轮子与地面的摩擦属于滚动摩擦。

压强的现象：

1．自行车的坐垫呈马鞍型，它能够增大坐垫与人体的接触面积，以减小臀部的压强。

2．脚蹬板很宽，也是为了增大与脚的接触面积，以减小脚部的压强。

3．用橡胶制成的车胎并且打足气，是为了通过减轻压力来减小对地面的压强，同时通过弹力的作用可起缓冲作用。

4．给车胎打气时，越打越费力，车胎越硬，是因为越打里面的气体越多，里面的压强越大。

杠杆的现象：

1．控制前轮转向的杠杆──车把：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运动方向和平衡。

2．控制刹车闸的杠杆──车把上的闸把：是省力杠杆，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。

3．支持人重和货重的杠杆──三角杠、货架、前叉、后三角杠：用以形成车重和承重。

4．中轴上的脚蹬和花盘齿轮：组成省力轮轴，因为脚蹬半径大于花盘齿轮的半径。

5．自行车手把与前叉轴：组成省力轮轴，因为手握把外的半径大于前叉轴的半径。

6．自行车后轴上的齿轮和后轮：组成费力轮轴，因为齿轮的半径小于后轮的半径。

自行车前轮旁边的照明灯能发光，因为内部有旋转磁极式发电机，圆形磁体的轴与前轮摩擦转动而产生感应电流。电流通过小灯泡的灯丝而发光，把小灯泡放在凹面镜的焦点处，起到会聚作用，增加灯的亮度。

热的问题：

1．夏天，将自行车车胎中的气打得足足的，若停在烈日下，车胎会爆裂。因为在烈日下，车胎内的气温升高，压强增大，当压强增大到超过车胎所能承受的最大压强时，车胎会爆裂。

2．用打气筒给自行车车胎打气时，不一会儿气筒壁就会热起来，是因为打气筒的活塞压缩气体做功，气体内能增加，气体内能传给筒壁，使筒壁温度升高。同时打气过程也是克服活塞和筒壁摩擦力做功过程，也使筒壁内能增加，温度升高。

惯性及能的知识：

骑自行车行驶时，当不用力蹬脚蹬板时，自行车还会继续向前运动是由于惯性的原因。另外，骑自行车飞跃障碍物时，落地时，应先使后轮着地，防止因为具有惯性而翻车。而当骑自行车上坡时，都应先加紧用力蹬几下，目的是为了增大速度，以获得更大的动能，来转化更多的重力势能，升的更高一些。

力的知识：

自行车坐垫下的有许多弹簧，主要的通过缓冲作用减小震动。