自行车的运动原理

自行车的运动原理 自行车是我们生活中常用的交通工具,它的运动是靠什么来维持的呢?它为 什么在运动过程中不倒呢?在实际的运动过程中,驱动轮和非驱动轮与地面的摩 擦力有什么不同呢?如何运用理论力学对其进行分析呢? 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。 自行车的踏脚用到了杠杆原理。 以飞轮的轮轴为支点, 用较长的铁杆 来转动链条上的飞轮,可以省力。踏 脚飞轮上用到了齿轮, 以防止链条打 滑。 自行车上的链条与车子的后轮 之间也采用了齿轮传动。 并且应用了比踏脚飞轮更小的齿轮,可以节省踏脚所用 的力,同时,还提高了自行车后车轮运转时的速度。自行车的刹车系统也用到了 杠杆原理。以车把上的刹车柄的转折关节为支点,起到了省力的作用。 自行车只有 2 个轮子,却为什 么可以保持平衡呢?甚至,高手在 骑车的时候,可以双手离开车把, 任由车子向前走而不担心摔倒。这 是陀螺效应的作用。 所谓陀螺效应, 就是旋转着的物体具有像陀螺一样 的效应。陀螺有两个特点进动性和 等轴性。当高速旋转的陀螺遇到外 力时,它的轴的方向是不会随着外 力的方向发生改变的,而是围绕着 一个定点进动。大家如果玩过陀螺 就会知道,陀螺在地上旋转时它的 轴会不断地扭动,这就是进动。简单来说,陀螺效应就是旋转的物体有保持其旋 转方向(旋转轴的方向)的惯性 。 陀螺只有一个旋转方向,已经很稳定了。而自行车有 2 个轮子,显然自行车 轮子在高速旋转的时候, 会使自行车更稳定。 因此, 骑车人撒开车把也不会倒下。 但遗憾的是,这并非一个合理的解释。 陀螺效应在保持自行车稳定中也许起到不可忽略的效果,但是,如果自行车 单单凭借陀螺效应保持稳定, 那么, 初学者也应该在高速骑车时不会倒下。 但是, 2 个陀螺似乎并不足以支撑骑车人重达几十公斤的身体的倾斜。刚学习骑车往往 会摔得很惨。从另一个方面看,骑独轮车的杂技演员由于车速很低,甚至车轮完 全停止转动,则基本无法依靠陀螺效应保持平衡。 但是高速骑车时,会感觉车子比刚刚起步的时候稳定,这又是为什么呢?

自行车本身的平 衡机制,来自于前叉 后倾。我们可以观察 到,几乎每辆自行车 的车把轴,都不是与 地面完全垂直,而是 后倾的。由于前轮是 固定在车把的前叉 上,因此又叫前叉后 倾。前叉后倾,使车 辆转弯时产生的离心 力其所形成的力矩方 向,与车轮偏转方向 相反,迫使车轮偏转 后自动恢复到原来的中间位置上。这样,车子就有了自动回正的稳定性。车速越 快,所造成的恢复力矩越大,骑车人就越感到稳定。这就是高速骑车时,会感觉 车子比刚刚起步的时候稳定的原因。 一般而言,车子前叉越后倾,车子越稳定,但转动车把越费劲;而后倾角度 小, 转把较容易, 但车子的稳定性不够。 但如果自行车完全没有前叉后倾, 那么, 骑自行车会是一件很痛苦的事情。 自行车其实是相当复杂的力学体系,而汽车的前轮定位更加复杂。有主销内 倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束,这保证开车的时候车子尽可能稳定,但又 减少轮胎的磨损。 自行车在实 际的运动过程中, 前后都受到了摩 擦力,(设后轮是 驱动轮,前轮是非 驱动轮.).设后轮 给地面的水平方 向的力为 F,且它 受地面所给的摩 擦力为 f1,前轮所 受地面的摩擦力 为 f2.那么在实际 的运动中 f1 是阻 力还是动力呢?如 果把自行车吊起 来,使它的前后轮 悬在空中,然后趋动它,结果自行车没有动,发现这是由于后轮与地面没有了摩擦 力.这个实验说明:趋动轮所受的摩擦力是动力。 在一个长木板的一面安装了四个 灵活的轴承,使木板在光滑地板上,由于轴承的作用,只需很小的力,木板就能运 动.然后把自行车的后轮放在木板的另一面上。然后我们去骑自行车。发现一开 始,自行车并不运动,而木板却向另一边滑开。 这说明木板与车的后轮之间有一个

摩擦力,这个摩擦力就是 f1,它的方向是与木板的运动方向相反,也与自行车后轮 的转动方向相反,是向前的。过了一会儿,自行车的后轮落到了地上,我们继续骑 动,自行车开始向前运动。 这个实验同样也说明了:自行车的趋动所受的摩擦力是 动力。力的方向与车轮作用在地面水平方向的力 F 的方向相反,与自行车的实际 运动方向相同,是水平向前的.那么在实际运动过程中前轮(非驱动轮)所受的摩 擦力又是一个什么样的力呢?针对这个问题我们又作了一个实验. 我们把车的前后 轮悬在空中,然后趋动 自行车,同时用手去贴 住后轮,感受它给我们 手的摩擦力,我们体会 到了上面我们得出的 结论,同时感受到后轮 的摩擦力 f1 是因为后 轮的转动而产生的而 前轮这时是静止的,我 们用手贴它然后手向 后运动,发现车轮跟着 运动,这说明前轮的运 动是由于前轮受到了 一个摩擦力,也就是说前轮在实际运动中是由于受摩擦力而运动的.在实际的运 动中,由牛顿第一定律可知,前轮有保持运动状态不变的性质,如果自行车做的是 加速运动,那么自行车的前轮就会产生一个与车轮的实际运动方向相反从左经下 向右的运动趋势,这时就会产生一个与这个运动趋势相反,且与轮的实际运动方 向相同的摩擦力 F2,F2 的方向与前轮的实际运动方向相同是向后的,很显然,它是 一个阻碍自行车运动的力,是一阻力。 生活中的力学现象数不胜数,善于观察,善于总结,相信我们能取得更大的 进步!

Author: yabo888

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