自行车构造与力学运用-物理世界漫游

自行车车身上和行进时有很多力与运动应用的知识,下面我们来说一说。

第一,自行车行进时要利用摩擦力。

摩擦力的大小跟两个因素有关:压力的大小、接触面的粗糙程度。压力越大,摩擦力越大;接触面越粗糙,摩擦力越大。自行车外胎有凸凹不平的花纹,这是通过增大自行车与地面间的粗糙程度,来增大摩擦力,其目的是为了防止自行车打滑。

自行车为什么能前进?当我们骑在自行车上时,由于人和自行车对地面有压力,轮胎和地面之间不光滑,因此自行车与路面之间有摩擦。不过,要问自行车为何能前进,这还是依靠后轮与地面之间的摩擦力实现的,这个摩擦力的方向是向前的。而前轮的摩擦力阻碍车的运动,其方向与自行车前进方向相反。正是因为这两个力大小相等,方向相反,所以自行车做匀速运动。不过,当人们在地上推自行车前进时,前轮和后轮的摩擦力方向都向后。那谁和这两个力平衡呢?是地面对脚的向前摩擦力与这两个力平衡,如图1.9所示。

图1.9　自行车前进时的摩擦力

刹车以后,自行车为何能停止?刹车时,刹皮与车圈间的摩擦力会阻碍后轮的转动。手的压力越大,刹皮对车圈的压力就越大,产生的摩擦力也就越大,后轮就转动得越慢。如果完全刹死,这时后轮与地面之间的摩擦就变为滑动摩擦力(原来为滚动摩擦,方向向前),方向向后,阻碍了自行车的运动,因此自行车就停下来了。

在自行车的前轴、中轴、后轴、车把转动处,脚蹬转动处等地方,都安有钢珠。人们骑自行车总是希望轻松、灵活、省力。而用滚动代替滑动就可以大大减小摩擦力,因此要在自行车转动的地方安装钢珠,可以经常加润滑油,使接触面彼此离开,这样就可以使摩擦力变得更小。(www.xing528.com)

第二,自行车结构上用杠杆和轮轴。

自行车上的杠杆的作用有两个:一是自行车的车把是省力杠杆,人们用很小的力就能转动自行车前轮,来控制自行车的运动方向和自行车的平衡;二是车把上的闸把是省力杠杆,人们用很小的力就能使车闸以较大的压力压到车轮的钢圈上。

自行车上的轮轴有三个作用:一是中轴上的脚蹬和花盘齿轮组成省力轮轴(脚蹬半径大于花盘齿轮半径);二是自行车手把与前叉轴组成省力轮轴(手把转动的半径大于前叉轴的半径);三是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)。

第三,能量转换的运用。

骑车上坡前,人们往往要加紧蹬几下,就比较容易上去,这是动能转化为势能。而骑车下坡,不用蹬,车速也越来越快,此为势能转化为动能。

第四个,惯性的运用。

快速行驶的自行车,如果突然把前轮刹住,后轮为什么会跳起来?这是因为前轮受到阻力而突然停止运动,但车上的人和后轮没有受到阻力,根据惯性定律,人和后轮要保持继续向前的运动状态,所以后轮会跳起来。下坡或高速行驶时,切记不能单独用自行车的前闸刹车,否则会出现翻车事故。