自行車(chē)的運(yùn)動(dòng)原理

1、 自行車(chē)的運(yùn)動(dòng)原理自行車(chē)是我們生活中常用的交通工具,它的運(yùn)動(dòng)是靠什么來(lái)維持的呢?它為什么在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不倒呢？在實(shí)際的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,驅(qū)動(dòng)輪和非驅(qū)動(dòng)輪與地面的摩擦力有什么不同呢?如何運(yùn)用理論力學(xué)對(duì)其進(jìn)行分析呢？自行車(chē)是傳動(dòng)式機(jī)械，它的傳動(dòng)裝置包括主動(dòng)齒輪、被動(dòng)齒輪、鏈條及變速器等。齒輪比與傳動(dòng)比關(guān)系著自行車(chē)的使用效率。后輪運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)質(zhì)在于：在鏈條傳動(dòng)下的飛輪帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，飛輪與后輪具有相同的角速度，而后輪半徑遠(yuǎn)大于齒輪半徑，由線速度增大，提高了車(chē)速。自行車(chē)的踏腳用到了杠桿原理。以飛輪的輪軸為支點(diǎn)，用較長(zhǎng)的鐵桿來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)鏈條上的飛輪，可以省力。踏腳飛輪上用到了齒輪，以防止鏈條打滑。自行車(chē)上的鏈條與車(chē)子的后輪之

2、間也采用了齒輪傳動(dòng)。并且應(yīng)用了比踏腳飛輪更小的齒輪，可以節(jié)省踏腳所用的力，同時(shí)，還提高了自行車(chē)后車(chē)輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的速度。自行車(chē)的剎車(chē)系統(tǒng)也用到了杠桿原理。以車(chē)把上的剎車(chē)柄的轉(zhuǎn)折關(guān)節(jié)為支點(diǎn)，起到了省力的作用。自行車(chē)只有2個(gè)輪子，卻為什么可以保持平衡呢？甚至，高手在騎車(chē)的時(shí)候，可以雙手離開(kāi)車(chē)把，任由車(chē)子向前走而不擔(dān)心摔倒。這是陀螺效應(yīng)的作用。所謂陀螺效應(yīng)，就是旋轉(zhuǎn)著的物體具有像陀螺一樣的效應(yīng)。陀螺有兩個(gè)特點(diǎn)進(jìn)動(dòng)性和等軸性。當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺遇到外力時(shí)，它的軸的方向是不會(huì)隨著外力的方向發(fā)生改變的，而是圍繞著一個(gè)定點(diǎn)進(jìn)動(dòng)。大家如果玩過(guò)陀螺就會(huì)知道，陀螺在地上旋轉(zhuǎn)時(shí)它的軸會(huì)不斷地扭動(dòng)，這就是進(jìn)動(dòng)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，陀螺

3、效應(yīng)就是旋轉(zhuǎn)的物體有保持其旋轉(zhuǎn)方向（旋轉(zhuǎn)軸的方向）的慣性 。陀螺只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向，已經(jīng)很穩(wěn)定了。而自行車(chē)有2個(gè)輪子，顯然自行車(chē)輪子在高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，會(huì)使自行車(chē)更穩(wěn)定。因此，騎車(chē)人撒開(kāi)車(chē)把也不會(huì)倒下。但遺憾的是，這并非一個(gè)合理的解釋。陀螺效應(yīng)在保持自行車(chē)穩(wěn)定中也許起到不可忽略的效果，但是，如果自行車(chē)單單憑借陀螺效應(yīng)保持穩(wěn)定，那么，初學(xué)者也應(yīng)該在高速騎車(chē)時(shí)不會(huì)倒下。但是，2個(gè)陀螺似乎并不足以支撐騎車(chē)人重達(dá)幾十公斤的身體的傾斜。剛學(xué)習(xí)騎車(chē)往往會(huì)摔得很慘。從另一個(gè)方面看，騎獨(dú)輪車(chē)的雜技演員由于車(chē)速很低，甚至車(chē)輪完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)，則基本無(wú)法依靠陀螺效應(yīng)保持平衡。但是高速騎車(chē)時(shí)，會(huì)感覺(jué)車(chē)子比剛剛起步的時(shí)候穩(wěn)定

4、，這又是為什么呢？ 自行車(chē)本身的平衡機(jī)制，來(lái)自于前叉后傾。我們可以觀察到，幾乎每輛自行車(chē)的車(chē)把軸，都不是與地面完全垂直，而是后傾的。由于前輪是固定在車(chē)把的前叉上，因此又叫前叉后傾。前叉后傾，使車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的離心力其所形成的力矩方向，與車(chē)輪偏轉(zhuǎn)方向相反，迫使車(chē)輪偏轉(zhuǎn)后自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的中間位置上。這樣，車(chē)子就有了自動(dòng)回正的穩(wěn)定性。車(chē)速越快，所造成的恢復(fù)力矩越大，騎車(chē)人就越感到穩(wěn)定。這就是高速騎車(chē)時(shí)，會(huì)感覺(jué)車(chē)子比剛剛起步的時(shí)候穩(wěn)定的原因。 一般而言，車(chē)子前叉越后傾，車(chē)子越穩(wěn)定，但轉(zhuǎn)動(dòng)車(chē)把越費(fèi)勁；而后傾角度小，轉(zhuǎn)把較容易，但車(chē)子的穩(wěn)定性不夠。但如果自行車(chē)完全沒(méi)有前叉后傾，那么，騎自行車(chē)會(huì)是一件很痛苦

5、的事情。自行車(chē)其實(shí)是相當(dāng)復(fù)雜的力學(xué)體系，而汽車(chē)的前輪定位更加復(fù)雜。有主銷(xiāo)內(nèi)傾、主銷(xiāo)后傾、前輪外傾和前輪前束，這保證開(kāi)車(chē)的時(shí)候車(chē)子盡可能穩(wěn)定，但又減少輪胎的磨損。自行車(chē)在實(shí)際的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,前后都受到了摩擦力,(設(shè)后輪是驅(qū)動(dòng)輪,前輪是非驅(qū)動(dòng)輪.).設(shè)后輪給地面的水平方向的力為F,且它受地面所給的摩擦力為f1,前輪所受地面的摩擦力為f2.那么在實(shí)際的運(yùn)動(dòng)中f1是阻力還是動(dòng)力呢?如果把自行車(chē)吊起來(lái),使它的前后輪懸在空中,然后趨動(dòng)它,結(jié)果自行車(chē)沒(méi)有動(dòng),發(fā)現(xiàn)這是由于后輪與地面沒(méi)有了摩擦力.這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明:趨動(dòng)輪所受的摩擦力是動(dòng)力。在一個(gè)長(zhǎng)木板的一面安裝了四個(gè)靈活的軸承,使木板在光滑地板上,由于軸承的作用,只

6、需很小的力,木板就能運(yùn)動(dòng).然后把自行車(chē)的后輪放在木板的另一面上。然后我們?nèi)ヲT自行車(chē)。發(fā)現(xiàn)一開(kāi)始,自行車(chē)并不運(yùn)動(dòng),而木板卻向另一邊滑開(kāi)。這說(shuō)明木板與車(chē)的后輪之間有一個(gè)摩擦力,這個(gè)摩擦力就是f1,它的方向是與木板的運(yùn)動(dòng)方向相反,也與自行車(chē)后輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反,是向前的。過(guò)了一會(huì)兒,自行車(chē)的后輪落到了地上,我們繼續(xù)騎動(dòng),自行車(chē)開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)同樣也說(shuō)明了:自行車(chē)的趨動(dòng)所受的摩擦力是動(dòng)力。力的方向與車(chē)輪作用在地面水平方向的力F的方向相反,與自行車(chē)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向相同,是水平向前的.那么在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中前輪(非驅(qū)動(dòng)輪)所受的摩擦力又是一個(gè)什么樣的力呢?針對(duì)這個(gè)問(wèn)題我們又作了一個(gè)實(shí)驗(yàn).我們把車(chē)的前后輪懸在空中,然后趨動(dòng)自行車(chē),同時(shí)用手去貼住后輪,感受它給我們手的摩擦力,我們體會(huì)到了上面我們得出的結(jié)論,同時(shí)感受到后輪的摩擦力f1是因?yàn)楹筝喌霓D(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的而前輪這時(shí)是靜止的,我們用手貼它然后手向后運(yùn)動(dòng),發(fā)現(xiàn)車(chē)輪跟著運(yùn)動(dòng),這說(shuō)明前輪的運(yùn)動(dòng)是由于前輪受到了一個(gè)摩擦力,也就是說(shuō)前輪在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中是由于受摩擦力而運(yùn)動(dòng)的.在實(shí)際的運(yùn)動(dòng)中,由牛頓第一定律可知,前輪有保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的性質(zhì),如果自行車(chē)做的是加速運(yùn)動(dòng),那么自行車(chē)的前輪就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與車(chē)輪的實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向相反從左經(jīng)下向右的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與這個(gè)