自行车与物理学

自行车与物理学

辽宁省朝阳县高级中学 刘庆薇

摘 要：自行车是人们最常见的交通工具，自行车在前进过程中前轮受滚动摩擦力，方向向后；后轮受向前的静摩擦力，它们和空气阻力等一起使自行车保持或改变运动状

关键词：自行车；相对运动；摩擦力；压强

自行车是城乡最常见的交通工具，在高度的发达的大城市，自行车也被用于健身和休闲。那么自行车是靠什么向前运动的呢？有人说靠脚蹬，我们把自行车当做一个质点，脚蹬只是使轮子转动，为什么整个自行车向前运动呢？为何自行车轮胎要有花纹呢？夏天给自行车打气需要注意什么呢？

摩擦力的应用：实际上在用力蹬的时候，自行车只所以能向前运动是摩擦力起作用的缘故。先假设整车原地不动，当人们用力蹬车时，脚蹬子带动轮盘一起转动，然后通过链条传递给后车轮，后轮变开始转动，这时后轮胎的接地点要相对于地面向后运动。假若自行车跟地面没摩擦，或者说摩擦力等于零。那么它就只能在原地转动，就像汽，这种情况我们大都见过。

车后轮打滑时汽车不能前进一样而正常情况下，车胎接地点与地面之间不可能无摩擦，当人用力蹬车时，轮胎要转动，使接地点有相对于地面向后发生相对运动的趋势，这时，轮胎接地点受到地面所提供的向前的摩擦力，正常情况下自行车后胎接地点与地面之间只有发生相对运动的趋势而不会发生相对滑动，因此车胎受到的是静摩擦力。如图：

前轮在整车前进的过程中，是在地面上被动滚动的，就如同一个圆木在平面上滚动一样，受到的是跟相对运动方向相反的滚动摩擦，即方向向后的滚动摩擦力，它的作用是阻碍整车向前运动。

如果是刚起步，则力F大于前轮的摩擦力和所有阻力之和，车子做加速运动，在平稳的匀速运动状态中，则力F等于前轮的摩擦力和所有阻力之和。

摩擦力是成对出现的，在轮胎接地点受到向前的，也给了地面一个向后的力，二者是一对作用力和反作用力，只是地球质量太大了，力不会有明显改变运动状态，并且地面受的这种力因数量多而方向各不同，也就相互抵消了，前轮也一样。 在自行车匀速运动的时候，人仍在用力蹬车。

车的前后轴均采用滚动以减小摩擦。多处刻有凹凸平平的花纹以增大摩擦。如车的外胎。车把的塑料套等。变滚动摩擦为滑动摩擦以增大摩擦，如在刹车时，车轮不再滚动，而在地面上滑动，摩擦大大增加了，所以车可以迅速停止。而在刹车的同时，手用力捏紧车闸把，增大刹车皮对钢圈的压力达到制止车轮滚动的目的。

压强知识的应用：自行车车胎上标有载重量。如车载过重，则车胎受到压强太大而被压破。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的压强，使人骑车不易感到疲劳。

简单机械知识的应用：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。

功、 机械能的知识运用：根据功的原理：省力必定费距离。所以人们在上坡时，常走S形路线。动能与重力势能的相互转化。如骑车上坡前，人们往往要加紧蹬几下，增加上坡前的速度，就容易上去些。此过程中动能转化为势能。而下坡不用蹬，车速也越来越快，此过程势能转化为动能。

惯性的运用：快速行驶的自行车，如果突然把前轮刹住，后轮为什么会跳起来。这是因为前轮受到阻力突然停止运动，但车上的人和后轮没有受到阻力，由惯性可知，人和后轮要保持继续向前运动状态，所以后轮会跳起来。

热学知识的运用：夏天，自行车不能放在太阳底下暴晒，以免暴胎。因为，温度升高，车胎内气体内能增加，压强增大，容易暴胎。

知识来源于生产实践，学习知识目的也是为了更好地指导生产实践活动，引导学生把所学物理知识应用到实际中去，为使学生更好地学会研究性学习打下良好的基础。