自行车中的物理知识

第6-9课时 自行车中的物理知识

【教学目标】

1. 了解自行车设计原理

2. 清楚力学，声学，热学等在自行车中的应用

3. 自行车刹车和变速的原理

【教学重点】

1. 自行车设计原理

2. 自行车中应用到的物理知识

【教学难点】

1. 清楚一些能量，力学对自行车的影响

【教学过程】

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，下面分别介绍自行车的有关原理和其中涉及到的相关物理知识。

（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

图1和图2是两种常见的自行车，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．