自行車與物理學(xué)

遼寧省朝陽(yáng)縣高級(jí)中學(xué) 劉慶薇

摘 要：自行車是人們最常見的交通工具，自行車在前進(jìn)過(guò)程中前輪受滾動(dòng)摩擦力，方向向后；后輪受向前的靜摩擦力，它們和空氣阻力等一起使自行車保持或改變運(yùn)動(dòng)狀

關(guān)鍵詞：自行車；相對(duì)運(yùn)動(dòng)；摩擦力；壓強(qiáng)

自行車是城鄉(xiāng)最常見的交通工具，在高度的發(fā)達(dá)的大城市，自行車也被用于健身和休閑。那么自行車是靠什么向前運(yùn)動(dòng)的呢？有人說(shuō)靠腳蹬，我們把自行車當(dāng)做一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，腳蹬只是使輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，為什么整個(gè)自行車向前運(yùn)動(dòng)呢？為何自行車輪胎要有花紋呢？夏天給自行車打氣需要注意什么呢？

摩擦力的應(yīng)用：實(shí)際上在用力蹬的時(shí)候，自行車只所以能向前運(yùn)動(dòng)是摩擦力起作用的緣故。先假設(shè)整車原地不動(dòng)，當(dāng)人們用力蹬車時(shí)，腳蹬子帶動(dòng)輪盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過(guò)鏈條傳遞給后車輪，后輪變開始轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)后輪胎的接地點(diǎn)要相對(duì)于地面向后運(yùn)動(dòng)。假若自行車跟地面沒摩擦，或者說(shuō)摩擦力等于零。那么它就只能在原地轉(zhuǎn)動(dòng)，就像汽，這種情況我們大都見過(guò)。

車后輪打滑時(shí)汽車不能前進(jìn)一樣而正常情況下，車胎接地點(diǎn)與地面之間不可能無(wú)摩擦，當(dāng)人用力蹬車時(shí)，輪胎要轉(zhuǎn)動(dòng)，使接地點(diǎn)有相對(duì)于地面向后發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，這時(shí)，輪胎接地點(diǎn)受到地面所提供的向前的摩擦力，正常情況下自行車后胎接地點(diǎn)與地面之間只有發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)而不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，因此車胎受到的是靜摩擦力。如圖：

前輪在整車前進(jìn)的過(guò)程中，是在地面上被動(dòng)滾動(dòng)的，就如同一個(gè)圓木在平面上滾動(dòng)一樣，受到的是跟相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反的滾動(dòng)摩擦，即方向向后的滾動(dòng)摩擦力，它的作用是阻礙整車向前運(yùn)動(dòng)。

如果是剛起步，則力F大于前輪的摩擦力和所有阻力之和，車子做加速運(yùn)動(dòng)，在平穩(wěn)的勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，則力F等于前輪的摩擦力和所有阻力之和。

摩擦力是成對(duì)出現(xiàn)的，在輪胎接地點(diǎn)受到向前的，也給了地面一個(gè)向后的力，二者是一對(duì)作用力和反作用力，只是地球質(zhì)量太大了，力不會(huì)有明顯改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且地面受的這種力因數(shù)量多而方向各不同，也就相互抵消了，前輪也一樣。 在自行車勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，人仍在用力蹬車。

車的前后軸均采用滾動(dòng)以減小摩擦。多處刻有凹凸平平的花紋以增大摩擦。如車的外胎。車把的塑料套等。變滾動(dòng)摩擦為滑動(dòng)摩擦以增大摩擦，如在剎車時(shí)，車輪不再滾動(dòng)，而在地面上滑動(dòng)，摩擦大大增加了，所以車可以迅速停止。而在剎車的同時(shí)，手用力捏緊車閘把，增大剎車皮對(duì)鋼圈的壓力達(dá)到制止車輪滾動(dòng)的目的。

壓強(qiáng)知識(shí)的應(yīng)用：自行車車胎上標(biāo)有載重量。如車載過(guò)重，則車胎受到壓強(qiáng)太大而被壓破。座墊呈馬鞍型，它能夠增大座墊與人體的接觸面積以減小臀部所受的壓強(qiáng)，使人騎車不易感到疲勞。

簡(jiǎn)單機(jī)械知識(shí)的應(yīng)用：自行車制動(dòng)系統(tǒng)中的車閘把與連桿是一個(gè)省力杠桿，可增大對(duì)剎車皮的拉力。

功、 機(jī)械能的知識(shí)運(yùn)用：根據(jù)功的原理：省力必定費(fèi)距離。所以人們?cè)谏掀聲r(shí)，常走S形路線。動(dòng)能與重力勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化。如騎車上坡前，人們往往要加緊蹬幾下，增加上坡前的速度，就容易上去些。此過(guò)程中動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能。而下坡不用蹬，車速也越來(lái)越快，此過(guò)程勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。

慣性的運(yùn)用：快速行駛的自行車，如果突然把前輪剎住，后輪為什么會(huì)跳起來(lái)。這是因?yàn)榍拜喪艿阶枇ν蝗煌Ｖ惯\(yùn)動(dòng)，但車上的人和后輪沒有受到阻力，由慣性可知，人和后輪要保持繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以后輪會(huì)跳起來(lái)。

熱學(xué)知識(shí)的運(yùn)用：夏天，自行車不能放在太陽(yáng)底下暴曬，以免暴胎。因?yàn)?，溫度升高，車胎?nèi)氣體內(nèi)能增加，壓強(qiáng)增大，容易暴胎。

知識(shí)來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐，學(xué)習(xí)知識(shí)目的也是為了更好地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生把所學(xué)物理知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際中去，為使學(xué)生更好地學(xué)會(huì)研究性學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。