自行车中的物理知识

2017-02-20 12:42

自行车是我们日常生活中一种普遍的交通工具,常见的有普通载重自行车、轻便自行车、山地自行车、童车、赛车、电动自行车等.它结构简单,方便实用,以下是由小编整理关于自行车中的物理知识的内容,希望大家喜欢!

自行车中的物理知识

(一)自行车的有关原理

一、 车体设计原理

A:手把连接前轮的转向机制是轮轴的运用,一般女装车手把大多比较宽,就是因为把“轮”的半径加大,可以更省力,骑起来很优雅.

B:剎车把手是一个简单的杠杆,使用者用很小的力就可对剎车片产生很大的压力.

C:前剎片是利用摩擦力使车轮减速,同时在接地点产生向后的摩擦力来使车体减速.以前轮夹式剎车和传统后轮轴心的盘式剎车来比较,对同样大小的剎车压力而言,前者因力臂较长,会比后者有较大的力矩,效果较佳.

D:接地的轮胎也是靠摩擦力使车子前进,剎车也是同样道理.

E:轮轴中央用滚珠轴承加黄油来减少摩擦,提高传动效率.

F:踏板是轮轴的运用.

G:前后齿轮是利用链条传动的齿轮系统,因为前大后小,所以费力而省时,可以把车子加速到很快.

H:后齿轮传动给后轮是一种作用力施在轴上的轮轴系统.

I:有些座垫下方是以弹簧为避震器,是弹簧在日常生活中除了做为弹簧秤外,另一大用途.

J:新型自行车有些装上油压避震器,是帕斯卡原理的运用.

二、为何自行车刚骑动时手把会不自觉转动?

自行车基本上是两点着地,骑动时可以不倒下是因为两轮滚动时产生水平方向的角动量;当车子几乎静止时角动量消失了,质心要通过底座(人和车体在地面的投影)的机会非常少,不可避免就要倒下,此时若转动手把就会产生垂直方向的角动量,使车子保持平衡,这点和飞盘转动时可以保持平稳飞行有异曲同工之妙,但因为转动不是很完整,方向又一再改变,所以一般不能撑很久.

三、变速原理

设前齿轮半径a、后齿轮半径b,a/b的比值愈大,可以愈省力,但省力一定较费时,所以车骑得不快,一般在起动时会把a/b调小一点,比较容易克服最大静摩擦力,之后再把比值变大.一辆十段变速的自行车有两个不同半径的前轮,后面有五个,以共有十种组合.

四、剎车原理

从运动学的角度来看,急剎车车子可能向前翻倒.先考虑前轮剎死的情形:此时以前轮着地点为支点,因车子有向前的惯性(人车的质心明显在支点右上方),很容易有向前翻的情形发生;那后轮剎车的情形又如何呢?如果后轮剎死了车子的惯性一样向前,但此时前轮对地面的压力会增大,相对减少后轮的下压力,所以翻车的机会较少,当然若是向前的惯性实在太大,车子一样会以前轮为支点旋转而使后轮会上跷.

综合以上可知:自行车最好不要单独剎前轮,若只有一个剎车系统应装在后轮,当然两轮一起剎车最理想.不论用那一轮剎车,前轮的下压力一定会增大,后轮的一定减少,所以前轮的剎车摩擦力比后轮的大.所以在机车或汽车上,效果较佳(当然也较贵)的碟式剎车装在前轮,后轮再装鼓式剎车,此即常在汽车广告中听到的”前碟后鼓”,但注意使用的前提是前后剎车一定同时作用,以免翻车.

(二)自行车中的物理知识

两种常见的自行车,在其中涉及到很多物理知识,包括杠杆、轮轴、摩擦、压强、能量的转化等力学、热学及光学知识,下面具体来分析一下.

一、力学知识

1.摩擦方面

(1)自行车车轮胎、车把套、脚踏板以及刹车块处均刻有一些花纹,增大接触面粗糙程度.增大摩擦力.

(2)车轴处经常上一些润滑油,以减小接触面粗糙程度,来减小摩擦力.

(3)所有车轴处均有滚珠,变滑动摩擦为滚动摩擦,来减小摩擦,转动方便.

(4)刹车时,需要纂紧刹车把,以增大刹车块与车圈之间的压力,从而增大摩擦力,

(5)紧蹬自行车前进时,后轮受到的摩擦力方向向前,是自行车前进的动力,前轮受到的摩擦力方向向后,是自行车前进的阻力;自行车靠惯性前进时,前后轮受到的摩擦力方向均向后,这两个力均是自行车前进的阻力.

2.压强方面

(1)一般情况下,充足气的自行车轮胎着地面积大约为S=2×10Cm×5cm=100×cm2,当一普通的成年人骑自行车前进时,自行车对地面的压力大约为F=(500N+150N)=650N,可以计算出自行车对地面的压强为6.5×104Pa.

(2)在车轴拧螺母处要加一个垫圈,来增大受力面积,减小压强.

(3)自行车的脚踏板做得扁而平,来增大受力面积,以减小它对脚的压强,

(4)自行车的内胎要充够足量的气体,在气体的体积、温度一定时,气体的质量越大,压强越大.

(5)自行车的车座做得扁而平,来增大受力面积,以减小它对身体的压强.

3.轮轴方面

(1)自行车的车把相当于一个轮轴,车把相当于轮,前轴为轴,是一个省力杠杆,如图3所示.

(2)自行车的脚踏板与中轴也相当于一个轮轴,实质为一个省力杠杆.

(3)自行车的飞轮也相当于一个省力的轮轴.

4.杠杆方面:自行车的刹车把相当于一个省力杠杆.

5.惯性方面

(1)当人骑自行车前进时,停止蹬自行车后,自行车仍然向前走,是由于它有惯性.

(2)当人骑自行车前进时,若遇到紧急情况,一般情况下要先捏紧后刹车,然后再捏紧前刹车,或者前后一起捏紧,这样做是为了防止人由于惯性而向前飞出去.

6.能量转化方面

(1)当人骑自行车下坡时,速度越来越快,是由于下坡时人和自行车的重力势能转化为人和自行车的动能.

(2)当人骑自行车上坡之前要紧蹬几下,目的是增大速度,来增大人和自行车的动能,这样上坡时动能转化为重力势能,能上得更高一些.

(3)如图4所示,自行车的车梯上挂有一个弹簧,在它弹起时,弹簧的弹性势能转化为动能,车梯自动弹起.

7.声学方面

(1)自行车的金属车钤发声是由于铃盖在不停的振动,而汽笛发声是由于汽笛内的气体不断的振动而引起的.

8.齿轮传动方面

(1)线速度和角速度的关系,如图5所示,设齿轮边缘的线速度为v ,齿轮的半径为R,齿轮转动的角速度为ω,则有v =ωR.

二、热学知识

在夏天自行车轮胎内的气体不能充得太足,是为了防止自行车爆胎,因为对于质量、体积一定的气体,当温度越高,压强越大,当压强达到一定程度时,若超过了轮胎的承受能力,就会发生爆胎的情况.

三、光学知识

在日常生活中,自行车的后面都装有一个反光镜,它的设计很巧妙,组成如图6所示,它是由三个相互垂直的平面镜组成一个立体直角,用其内表面作为反射面,这叫角反射器.当有光线从任意角度射向尾灯时,它都能把光“反向射回”,当光线射向反光镜时,会使后面的人很容易看到.在夜间,当汽车灯光照到它前方的自行车尾灯上,无论入射方向如何,反射光都能反射到汽车上,其光强远大于一般的漫反射光,就如发光的红灯,足以让汽车的司机观察到.

四、电学方面

在有些自行车上装有小型的发电装置,它利用摩擦转动,就像我们在实验室中看到的手摇发电机一样,发出的电能供给车灯工作,起到一定的照明作用.