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生活中的物理1


生活中的物理 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:刹车把手是一 个简单的杠杆,使用者 用很小的力就可对刹车 片产生很大的压力.

一、车体设计原



? C:前刹片是利用摩擦 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.比较 前轮夹式刹车和传统后 轮轴心的盘式刹车,对 同样大小的刹车压力而 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,刹 车也是同样道理.

一、车体设计原理

?

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.

一、车体设计原理

?

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. 帕斯卡原理:不可压 缩静止流体中任一点 受外力产生压力增值 后,此压力增值瞬时 间传至静止流体各点。

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.

二、为何自行车刚骑动时手把会不自觉转动?
? 由于旋转的物体有使转轴的方向保持不变的特性,转动得越快,越

不容易改变轴的方向,就像陀螺旋转一样。假如陀螺不转,就会倾倒,

因为静止不动陀螺的尖下面只有一个支点,因为重力对这一个支点有力
矩,陀螺会围绕这个支点向下倾倒。假如给陀螺施加一个外力,使陀螺 快速旋转,陀螺就不会倒下了,高速旋转的陀螺可以保持转轴的方向不

变,这就是陀螺的稳定性。人骑自行车是同样的道理,转动的车轮有和
陀螺相似的稳定性,人在车上蹬车,致使车轮飞快的旋转,同样也可以 保持旋转的轴线方向不变,这样,车子就可以保持平衡却不会摔倒,可

以很稳当地向前行驶。

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、刹车原理

?

从运动学的角度来看,急刹车车子可能向前翻倒.先考虑
前轮刹死的情形: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;那后轮刹车的情形又如何呢?如果后轮刹死了车子的惯
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.

(二)自行车中的物理知识
? 自行车中涉及到很多物理

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.

一、力学知识

? (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.

一、力学知识

? (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=100cm2,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,

2.压强方面

? (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. ? (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 5.惯性方面

? 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)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 8.齿轮传动方面

? 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,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,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.


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