浅谈自行车中的摩擦力

学科代码：学 号：[**************]

本科毕业论文（设计）

题目：浅谈自行车中的摩擦力

学 院： 理 学 院

专 业： 物 理 学

班 级： 2011级

学生姓名： 吴 昌 宾

指导教师：

201年月 日

目 录

目 录............................................................ Ⅰ 摘 要............................................................ II 关键词........................................................... II 0引 言 ........................................................... 1 1自行车车轮的摩擦力 ............................................. 1 2自行车的刹车装置的摩擦力 ...................................... 3 3钢珠的摩擦力 .................................................... 3 4自行车车把套、脚踏板以及刹车块 ............................... 4 5自行车的行驶过程中的摩擦力 ................................... 4 6自行车是怎样利用摩擦运动和停止的 ............................ 5 7自行车上增大有益摩擦，减小有害摩擦的方法 ................... 6 8 结论............................................................. 8 参考文献 .......................................................... 8

浅谈自行车中的摩擦力

吴昌宾

（凯里学院继续教育学院，2011级物理学 贵州 凯里 556011）

摘 要：自行车是人们最常见的交通工具，在自行车存在着各种摩擦力，本文首先从自行车的结构出发，分析自行车中各部分所受到的摩擦力。紧接着分析自行车运动时摩擦力的情况，之后是自行车怎样利用摩擦运动和停止的，最后自行车上增大有益摩擦，减小有害摩擦的方法。通过对自行车中摩擦力的分析，了解到物理在生活中有着重要的作用，对今后的学习生活给予帮助。

关键词：自行车 ;运动；摩擦力

bicycle in friction

wuchangbin

(Kaili University, Guizhou Province, Postal code: 556011))

Abstract: the bicycle is people the most common transport, in cycling by various friction, first from bicycle structure, the author analyzes each branch by bicycle in friction, then analyzes the situation when cycling friction, again then bicycle is how to make use of the friction movement and stop, on the bike, increase friction, reducing harmful beneficial friction method. Through the analysis of bicycle friction, learn physics in life, plays an important role in future study life to help.

Keywords: bicycles, friction

0 .引 言

物理学是一门基础学科，它研究自然界广泛存在的各种最基础的运动形态。它为自然界物质结构、相互作用、运动规律提供了一副丰富多彩、结构严谨的图画。生活中，物理现象，无时不有。就拿自行车来说，其与物理学也有着密切的联系。下面就让我们来浅谈一下自行车中的摩擦力知识。摩擦是一种常见的现象,在日常生活中,摩擦力也经常伴随在我们身旁.摩擦力即有有利的一方面又有不利的一方面,甚至可以说,我们无时无刻不在跟摩擦力打交道 。而这篇论文的目的就是为了把摩擦力有利的利用起来，减少不利的一方面。同时又把物理学中的摩擦力知识利用起来，进行理论联系实际。

1．自行车车轮与摩擦力

联系日常生活经验分析，如果有两个瓶子，一个是瓶盖带花纹的，一个是不带花纹的。不带花纹的瓶子使劲也打不开，但是带有花纹的能轻松拧开。车轮也是这个道理，如果没有花纹的话，在路面上行驶可能就会打滑。

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

自行车之所以前进是依靠后轮与地面之间的摩擦而产生的，这个摩擦力的方向是向前的。那前轮的摩擦力是干什么的？阻碍车的运动！其方向与自行车前进方向相反。正是这两个力大小相等，方向相反，所以自行车作匀速运动。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？脚对地面的摩擦力向前！

让我们来做个小实验，先把沙子形状规则的平铺到地上，让后轮在沙子上方悬空抬起，摇动脚蹬，转起来后猛然让后轮落地刹车，会看到有些沙子向车轮后方散去，说明车轮给了沙子一个向后的力，而物体间力的作用是相互的，那沙子给车轮的摩擦力就是向前的，所以运动着的后轮受到的摩擦力向前。

然后再把沙子形状规则的平铺到地上，骑自行车经过沙子，当前轮经过沙子时，捏手闸使前轮刹车，我们会看到一部分沙子向前方散去，说明前轮给了沙子一个向前的力，同样，物体间力的作用是相互的，那沙子给前轮的摩擦力就是向后的，所以运动着的前轮受到的摩擦力向后。

例如一人骑自行车在水泥路上行驶，人的质量为M，车轮质量为m,静摩擦系数为μ0 ，滑动摩擦系数为μ ，滚动摩擦系数为δ注1， 车轮半径为r。

问 (1)要使自行车从停止到运动所需要的摩擦力为多少？

(2)当自行车匀速前进时，前后轮各自的摩擦力情况？

(3)当自行车的速度为v时，若两轮都刹车，自行车的摩擦力为多少？若只一轮刹车又如何？

解：（1）令自行车向前为正，前后轮各受的压力是重力的一半，

要使自行车从停止到运动时，则后轮给予的力为最大静摩擦力： f00FN0Mmg 方向向前 2

注2（2）当自行车匀速前进时，后轮所受的摩擦力向前,则

f前滚MmFNg 2

例如一人骑自行车在水泥路上行驶，人的质量为M，车轮质量为m,静摩擦系数为μ0 ，滑动摩擦系数为μ ，滚动摩擦系数为δ注1， 车轮半径为r。

问 (1)要使自行车从停止到运动所需要的摩擦力为多少？

(2)当自行车匀速前进时，前后轮各自的摩擦力情况？

(3)当自行车的速度为v时，若两轮都刹车，自行车的摩擦力为多少？若

只一轮刹车又如何？

解：（1）令自行车向前为正，前后轮各受的压力是重力的一半，

要使自行车从停止到运动时，则后轮给予的力为最大静摩擦力： f00FN0Mmg 方向向前 2

注2（2）当自行车匀速前进时，后轮所受的摩擦力向前,则

f前滚MmFNg 2

而前轮所受的摩擦力与后轮所受的摩擦力大小相等方向相反，则

f后滚Mmg 2

(3)当自行车的速度为v时，若两轮都刹车，则两轮的摩擦力都向后，

f总(f前滑f后滑)(Mm)g

若只一轮刹车，则所受的摩擦力是滚动摩擦和滑动摩擦之和 f一轮MmMmf滚f滑gg 22

2．自行车的刹车装置与摩擦力

刹车时，刹车皮与车圈间的摩擦力，会阻碍后轮的转动。手的压力越大，刹车皮对车圈的压力就越大，产生的摩擦力也就越大，后轮就转动的越慢。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，因此就停下来了。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个刹车备用（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。 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轮减速。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。

3．钢珠与摩擦力

自行车应当骑起来越轻松、越灵活、越省力才越好，所以在自行车转动的地方，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。

自行车中轴里的钢珠是为了减小摩擦力.有一个带槽的罐子，上面放一本厚书。用竹棒让书移动起来（使劲碰，书仍只微微动了一下）。在凹槽里放几个玻璃球，请你再来碰这本书（用竹棒碰撞书，书移动起来）。由此可以看出，有玻璃球在凹槽里，就比较好转。这是因为滑动摩擦变成了滚动摩擦使摩擦力减少，书才能移动起来。自行车中轴里的钢珠就是这个作用。

4．自行车车把套、脚踏板以及刹车块

自行车车把套、脚踏板以及刹车块处均刻有花纹，并且使用摩擦力大的材料，增加摩擦力。车把上如果少了花纹的话，人的手掌抓车把会抓吧不稳，从而车把也不会听使唤，不好控制方向。同理，脚踏板上的花纹也是一样，如果没有花纹的话，人们骑车的时候会骑不走甚至踩不上去。刹车块的花纹是使自行车快速停下来必不可少的。所以车把上、脚踏板以及刹车块的花纹都是为了增大摩擦力。

5．自行车在行驶过程中的摩擦力注3

我们在自行车的行驶过程中都会碰到以下几种情况

:

图1 行驶中的自行车

（1） 原地打滑

假如自行车向前运动时, 陷入了小坑,轮子会在坑里转动, 在这过程

中相接触的各点相对地面是有速度的, 即在表面滑行, 所以它受到的是滑动摩擦力(如图2) 。

图2 自行车轮在小坑中打滑

链条给轮子一个动力使轮子顺时针转动地面对轮子总的摩擦力方向向前,此时摩擦力和运动方向相同,说明摩擦力提供了动力。

（2）刹车滑行

在平直的路面上,前轮、后轮刹车后,轮子不会转动只在路面上滑行, 受到的也是滑动摩擦力。方向和运动方向相反,摩擦力是阻力。

（3）匀速前进

在车整体向前运动中, 车有一速度为v, (如图

3)

图3 自行车匀速前进的轮子

我们先对后轮分析,后轮的整体有一向前的速度v, 由于轮子滚动, 在圆周上有速度v’ = w r,因为是匀速的所以v’的大小等于v。在轮子与地面的接触点A,其合速度为0。所以在接触的那一瞬间是静止的,并且有向前运动的趋势。所以受到的是静摩擦力。同理前轮也是受静摩擦力。

人通过链条给后轮一个力使后轮顺时针转动。设轮与地面光滑,则轮应加速顺时针转动,说明轮有相对地面向后的转动趋势,因此后轮的摩擦力向前。前轮转动是由于受到一推力的作用,若前轮与地面接触光滑则前轮就不会转动,故前轮相对地面有向前的运动趋势。其摩擦力向后。自行车在匀速前进时受到的是滚动摩擦力,但滚动摩擦力只是静摩擦力的一种。

6．自行车是怎样利用摩擦运动和停止的

自行车是怎样利用摩擦运动的呢？通过查阅资料和询问老师，我们明白了：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，因此自行车的车轮与路面之间有摩擦，后轮受到的摩擦力向前，前轮受到的摩擦力向后。当后轮受到摩擦力大于前轮受到的摩擦力时自行车就能启动起来。

那在行驶过程中两轮不都向前转吗？摩擦力方向怎么会不一样呢？这是因为，后轮是动力轮，骑车时脚用力蹬脚蹬，使后轮转动，但是轮子的接触面和地面之间没有相对运动，所以一直都是静摩擦力，不是滑动摩擦。当后轮转动时，

后轮和地面的接触的地方，就相对于地面有向后运动的趋势， 所以后轮就会受到地面对它向前的摩擦力。(这里的原理跟人走路时脚受到的摩擦力方向一样);前轮原来的状态是静止的,由于车身的推动,使前轮相对于地面运动方向也向前,所以受到地面对它向后的摩擦力。因此，前轮是阻力轮，他受到的摩擦力阻碍车的运动。当后轮受到的向前的摩擦力大于前轮受到的向后的摩擦力时，自行车就能由静止变为运动，或加速运动。这两个力大小相等时，自行车作匀速运动。

当人们在地上推自行车前进时，前轮和后轮受到的摩擦力方向由是怎样的呢？此时前轮和后轮都是阻力轮。都要受到地面对它向后的摩擦力。那谁和这两个力平衡呢？是地面对脚的向前的摩擦力！

刹车以后，自行车为何能停止运动？

刹车时，刹车皮与车圈间的摩擦力，会阻碍后轮的转动。手的压力越大，刹车皮对车圈的压力就越大，产生的摩擦力也就越大，后轮就转动的越慢。如果骑车太快，紧急刹车时，后轮受到闸皮的摩擦力停止了运动，由于惯性，自行车还会继续向前运动。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，因此就停下来了。

7．自行车上增大有益摩擦，减小有害摩擦的方法

自行车的种类很多，不管是哪种自行车，增大和减小摩擦的方法都差不多。自行车上增大有益摩擦的方法大抵有两种：（1）增加接触面的粗糙程度来增大摩擦；（2）用增大压力的方法来增大摩擦。自行车很多地方都采用了第一种方法来增大摩擦-----增加接触面的粗糙程度来增大摩擦的（如图3，4，5）.例如：

图3：自行车的把手做成有花纹的 图4：自行车的踏脚有花纹 图5：轮胎做有花纹

自行车也有一些地方是采用第二种方法---

增大压力的方法来增大摩擦，如：自

行车上用来固定零件的螺丝和螺帽必须要悬紧，以增大压力，增大摩擦力，防止螺帽脱落（如图6）。自行车刹车时要用力，以增大闸皮和车圈之间的压力，增大摩擦力，尽快使车停止（如图7）。

图6：用来固定各零件的螺丝与螺帽旋得紧紧的 图7：自行车上的刹车装置

自行车上减少有害摩擦的方法大抵也有两种：（1）利用滚动摩擦来减少摩擦；（2）给某些部件加润滑剂来减少摩擦。采用第1种方法来减少摩擦的有：有车轮处装有钢铁制的滚动轴承，内有很多小钢珠。（如图8）；采用第2种方法来减少摩擦的有：在转轴中经常上涂润滑油（如图9）。后来经过询问和研究，发现不止是车轮的轮轴处有钢珠，凡是能转动地方大部分都有。如：车头、脚蹬、中轴、后轮的飞轮等内部都有钢珠。

图8 滚动轴承 图9 自行车的转轴

摩擦力是非常重要的。如果没有了摩擦力，人骑车时手脚经常从把手和脚踏上滑下来，自行车刹车失灵，一旦行驶就停不下来。就算你要把自行车的零件拼装一辆完整的自行车也很难：因为自行车各部件的组合，都需要用螺丝、螺帽来固定，而没有了摩擦力，螺丝、螺帽就无法去固定那些零件了，因而也就无法用那些零件来拼装成完整的自行车了。另外，自行车的运动也是靠的摩擦力。如果没有摩擦力，自行车就会在原地打滑。

8． 结论

力学中只是简单的介绍了摩擦力，两个互相作用的物体，当它们发生相对运动或有相对运动趋势时，在两物体的接触面之间会产生阻碍它们相对运动的作用力，这个力叫摩擦力。而没有详细的体现出在生活中摩擦力的应用。以及运动中的摩擦力。而自行车中的摩擦力就是放在生活中的一种应用，它将理论与实践联系起来，从生活中的自行车将摩擦力的重要性显示出来。从而提高对物理的学习兴趣，在生活中体现了物理的重要性。从对摩擦力的浅谈，知道了自行车的运动是由后轮摩擦力提供向前的动力，而前轮阻碍它前进，转动地方安装钢珠是为了减小摩擦力，保护零件，节省动力。初步达到了把摩擦力有利的一方面利用起来，减少不利的一方面。

参考文献

[1] 陈明，程燕平，刘喜庆.理论力学习题解答[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.2002.

[2] 漆安慎，杜婵英.普通物理教程力学（第二版）[M] 北京：高等教育出版社.2005.

[3] 傅望峰，周水明.物理教学探讨[J].浙江绍兴.绍兴文理学院学报，2007.

[4] 陈守珠.普通物理学[M].北京：高等教育出版社.1984.

成人教育本（专）科毕业论文（设计）开题

报 告

题 目：浅谈自行车中的摩擦力

专 业：＿物 理 学＿＿＿＿＿＿＿

姓 名：＿吴 昌 宾＿＿＿＿＿＿＿

年 级：＿2011级＿＿＿＿＿＿

学 号：＿[**************]7＿＿＿＿＿＿

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指导教师：＿＿＿＿＿＿＿＿

年 月 日

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