自行车上的物理

自行车上的物理第1页，课件共24页，创作于2023年2月开场白

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。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------我们只说自行车第2页，课件共24页，创作于2023年2月

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:车座杆第3页，课件共24页，创作于2023年2月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

*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。第4页，课件共24页，创作于2023年2月自行车运动力学

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。第5页，课件共24页，创作于2023年2月齿轮比

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。

第6页，课件共24页，创作于2023年2月大齿轮盘小齿轮盘后轮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，，而小齿轮和后轮之间通过轮轴固定，他们的角速度第7页，课件共24页，创作于2023年2月则由，设后轮沿速度为=,则我们通过进一步研究可知人踩踏板速度V和后轮转动速度之间关系，踏板和大齿轮盘同轴，则

则由

故

第8页，课件共24页，创作于2023年2月传动比（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。

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。第9页，课件共24页，创作于2023年2月

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。第10页，课件共24页，创作于2023年2月但是，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。第11页，课件共24页，创作于2023年2月一个车轮上共有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。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。第12页，课件共24页，创作于2023年2月摩擦摩擦力的应用——自行车为什么能前进？压力越大，摩擦力越大——自行车为什么能停止？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。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）。

第13页，课件共24页，创作于2023年2月增大粗糙程度，增大摩擦力——自行车外胎上为什么有凸凹不平的花纹？小窍门自行车的车胎、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。

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。

第14页，课件共24页，创作于2023年2月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？在自行车转动的地方，前轴中轴、后轴、车把转动处，脚蹬转动处、飞轮等地方，都安有钢珠。转动地方安装钢珠是为了减小摩擦力，保护零件，节省动力，因为滚动摩擦比滑动摩擦小得多，用滚动来代替滑动可以大大减小摩擦，并经常加润滑油，使接触面彼此离开，摩擦变得更小、更省力。

“山地车”，它的轮子加宽，就能起到地面阻力减少的作用，它的车胎很宽，纹路很深，这样可以减少地面的磨擦阻力而轻松前行。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里“抬”出来,车轮沉陷得越深,摩擦力也就越大,“抬”出地面所需要的力也就越大.要使自行车能前进就要求泥地里(雪地里)对自行车后轮有相当大的向前推力,这就要求对踏脚板施加较大的作用力,所以人会感到很吃力,这就像人走在雪地里一样。第15页，课件共24页，创作于2023年2月弹性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。

弹簧的减震作用第16页，课件共24页，创作于2023年2月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。

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。第17页，课件共24页，创作于2023年2月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。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）。

第18页，课件共24页，创作于2023年2月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。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。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。第19页，课件共24页，创作于2023年2月杠杆控制前轮转向的杠杆：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。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。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。声

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。

第20页，课件共24页，创作于2023年2月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？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。

第21页，课件共24页，创作于2023年2月一种简单的回射镜是由三块互相垂直的平面镜组成的三垂面反射镜。它可以使从任意方向入射的光线，先后经过三块平面镜的反射后，沿着原来入射的方向反射回去。许多自行车后的红色反光镜，就是由许多