自行车中的物理原理
自行车 物理原理 结构 刹车 摩擦力
日常生活中有许多事物看似非常简单,但却涉及了许多深刻的物理问题,需要运用物理学原理去解释。通过对这些事物的分析研究,能够将物理学融入到实际生活中,拉近学生与物理的距离,提高学生的学习兴趣,并有助于培养学生发现问题、解决问题的能力,促进学生形成科学的思维方法。自行车是学生非常熟悉的一种交通工具,其中却蕴含了很多物理问题。下面通过探讨自行车中的几个物理问题,说明如何将物理知识与生活实际相结合,用物理知识解释生活中的现象。自行车主要由支撑架构、车轮、传动装置、转动装置和制动装置五个部分组成。它的每一个部分都包含着许多不同的物理问题。
一、 自行车的基本结构
自行车结构虽不复杂，但是每一部分的设计都有着丰富的物理原理。要研究自行车，首先要研究的便是自行车的基本结构。下面，我们通过图文结合的方式来了解下自行车的基本结构。
自行车的整体结构
自行车的前端
自行车的坐垫
自行车的前轮
自行车的牙盘
自行车中部的三角支架
以上这些结构当中的物理原理不计其数，在这里我们举了以下三个例子：
1、自行车的车座为何设计成马鞍型？
答：因为这样可以增大人与车座的接触面积，减小车座对人的压强，人骑车时感到舒服，骑车不易感到疲劳。
2、车坐下的弹簧有什么作用？
答：弹簧可以起到减震作用。
3、自行车的手把、脚踏板、轮胎等处，为什么会做有凹凸不平的花纹？
答：这些凹凸不平的花纹可以通过增加接触面的粗糙程度来增大摩擦。
二、自行车车轮的物理问题
(1)自行车的轮胎是圆形
圆形有一个其他几何图形所不具备的特点,就是无论它进行怎样的旋转,通过圆心及圆上任一点的距离永远相等。这样就可以保证车轮在运转的过程中,车轮的重心时刻保持不变,且其动力臂和阻力臂也时刻保持不变,这样自行车才能运行平稳。
(2)自行车轮胎用橡胶制成,并充满气体自行车的车轮是橡胶制作的,并且橡胶内充满了空气。橡胶具有弹性,橡胶内的空气可以形成一个气垫,这样做可以减少自行车运行过程中所受到的冲力,达到缓冲减震的目的。即使人在非常不平坦的路面上行进,也不会有特别颠簸的感觉。并且橡胶与地面的摩擦力也较大。
(3)自行车在运转过程中的受力分析当骑自行车或推自行车行走时,人和自行车对地面会有压力作用。轮胎和地面之间不光滑,因此自行车车轮与路面之间会有摩擦力存在。下面对自行车所受的摩擦力 进行分析。
①推自行车时前后轮的受力情况分析图2为向前推自行车时自行车所受摩擦力的受力分析图。在向前推自行车时,自行车的前后轮都按逆时针方向滚动,自行车的齿轮这时是不转动的,两个轮子同时都受到了向后的滚动摩擦力的作用。
②骑自行车时前后轮的受力情况分析自行车在向前平稳行驶的过程中,人的双脚用力蹬脚蹬,使后轮转动。这时轮胎和地面之间没有相对运动,这时的摩擦力可以看成是静摩擦力。当后轮转动时,后轮和地面接触的地方,就相对于地面有向后运动的趋势, 所以后轮所受摩擦力的方向向前,为自行车提供向前运动的动力。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滚动摩擦力。因此,前轮是阻力轮,它受到向后的滚动摩擦力,阻碍车的运动;后轮是动力轮,它受到向前的静摩擦力,是自行车前进的动力。如图3当自行车加速运动时,自行车后轮为自行车的行驶提供动力,它所受的摩擦力向前。同时前轮阻碍自行车的行驶,它所受的摩擦力向后。因此,在自行车加速的过程中,自行车后轮的摩擦力大于前轮的摩擦力和其他阻力之和。自行车自然进行减速时,人的脚停止蹬踏车轮,前轮和后轮同时受到向后的摩擦力,这时没有动力提供给自行车。自行车由于只受到摩擦力的作用,根据牛顿第二定律,速度逐渐减小。当自行车紧急刹车时,由于惯性人会感觉到身体有向前倾斜的趋势。刹车时应尽量使用后刹车或前后同时刹车。如果只使用前刹车,自行车的前轮停止运动,保持静止状态,而此时自行车的后轮,还在保持转动状态,由于惯性的存在,自行车的后半部分还存在向前的运动趋势,就可能导致人和车由于有向前倾斜的趋势而翻车。
三、变速齿轮中的物理原理
自行车的运动主要是将人脚交替对脚踏板的压力转化为车轮与地面的磨擦力，转化的重要部分是自行车的传动部分。
自行车的传动部分主要是由脚蹬“飞轮”、链条及后轮四部分组成。下面浅谈一下自行车传动部分的工作过程。
人在骑车时，两脚交替把脚蹬踩下“牙盘”转动，由于“牙盘”和“飞轮”的小齿和链条相互咬合，带动了后面飞轮的转动，自行车后轮向前运动，使自行车向前行驶。在新型变速自行车中，中轴链轮上有几个直径不同、齿数不同的齿盘
物理力学是力学的一个新分支，它从物质的微观结构及其运动规律出发，运用近代物理学、物理化学和量子化学等学科的成就，通过分析研究和数值计算，阐明介质和材料的宏观性质，并对介质和材料的宏观现象及其运动规律作出微观解释。主要包括静力学、动力学、流体力学、分析力学、运动学、固体力学、材料力学、复合材料力学、流变学、结构力学、弹性力学、塑性力学、爆炸力学、磁流体力学、空气动力学、理性力学、物理力学、天体力学、生物力学、计算力学
物理力学主要研究平衡现象，如气体、液体、固体的状态方程，各种热力学平衡性质和化学平衡的研究等。对于这类问题，物理力学主要借助统计力学的方法。
物理力学对非平衡现象的研究包括四个方面：一是趋向于平衡的过程，如各种化学反应和弛豫现象的研究；二是偏离平衡状态较小的、稳定的非平衡过程，如物质的扩散、热传导、粘性以及热辐射等的研究；三是远离于衡态的问题，如开放系统中所遇到的各种能量耗散过程的研究；四是平衡和非平衡状态下所发生的突变过程，如相变等。解决这些问题要借助于非平衡统计力学和不可逆过程热力学理论。
物理力学的研究工作，目前主要集中三个方面：高温气体性质，研究气体在高温下的热力学平衡性质(包括状态方程)、输运性质、辐射性质以及与各种动力学过程有关的弛豫现象；稠密流体性质，主要研究高压气体和各种液体的热力学平衡性质(包括状态方程)、输运性质以及相变行为等；固体材料性质，利用微观理论研究材料的弹性、塑性、强度以及本构关系等。
物质的性质及其随状态参量变化规律的知识，无论对科学研究还是工程应用都极为重要，力学本身的发展就一直离不开物性和对物性的研究。
近代工程技术和尖端科学技术迅猛发展，特别需要深入研究各种宏观状态下物体内部原子、分子所处的微观状态和相互作用过程，从而认识宏观状态参量扩大后物体的宏观性质和变化规律。因此，物理力学的建立和发展，不但可直接为工程技术提供所需介质和材科的物性，也将为力学和其他学科的发展创造条件。
初中物理知识在社会生产和生活中的应用 物理是与人类生产和生活最为密切的科学。在物理教学中如何将物理知识与生产实践和生活实际相联系，使学生尽可能理解物理知识在生产实际和生活实际中的应用，也就成了物理教师义不容辞的义务。 一、力学知识的广泛应用 1．重力的应用 我们生活在地球上，重力无处不在。如工人师傅在砌墙时，常常利用重锤线来检验墙身是否竖直，这是充分利用重力的方向是竖直向下这一原理；羽毛球的下端做得重一些，这是利用降低重心使球在下落过程中保护羽毛；汽车驾驶员在下坡时关闭发动机还能继续滑行，这是利用重力的作用而节省能源；在农业生产中的抛秧技术也是利用重力的方向竖直向下。假如没有重力，世界不可想象，水不能倒进嘴里，人们起跳后无法落回地面，飞舞的尘土会永远漂浮在空中，整个自然界将是一片混浊。在讲授重力时，要让学生展开热烈的讨论，充分挖掘学生的想象力，知道重力与我们的生产生活实际密切相关。 2．摩擦力的应用 摩擦力是一个重要的力，它在社会生产生活实际中应用非常广泛。如人们行走时，在光滑的地面上行走十分困难，这是因为接触面摩擦太小的缘故；汽车上坡打滑时，在路面上撒些粗石子或垫上稻草，汽车就能顺利前进，这是靠增大粗糙程度而增大摩擦力；鞋底做成各种花纹也是增大接触面的粗糙程度而增大摩擦；滑冰运动员穿的滑冰鞋安装滚珠是变滑动摩擦为滚动摩擦，从而减少摩擦而增大滑行速度；各类机器中加润滑油是为了减小齿轮间的摩擦，保证机器的良好运行。可见，人类的生产生活实际都与摩擦力有关，有益的摩擦要充分利用，有害的摩擦要尽量减少。 3．弹力的应用 利用弹力可进行一系列社会生产生活活动，力有大小、方向、作用点。如高大的建筑需要打牢基础，桥梁设计需要精确计算各部分的受力大小；拔河需要用粗大一些绳子，防止拉力过大导致断裂；高压线的中心要加一根较粗的钢丝，才能支撑较大的架设跨度；运动员在瞬间产生的爆发力等等。 可见，物理力学知识生产和生活实际中是很有用的，从宇宙天体到微观的分子、原子处处存在着各种各样的力，教师只要将课本知识与生产生活实际有机地结合起来，就能极大地激发学生的学习兴趣，从而培养他们树立崇尚科学、研究科学、应用科学精神。 二、热学知识的应用 天气的阴晴、冷暖与人类的各类活动息息相关，包含了很多的物理热学知识。如人们常喝开水、吃熟食，需要对水和食物进行加热，而加热过程中就需知道燃料燃烧或电力加热的基本知识；炎热的夏天在地上撒些水，靠水分的蒸发达到降温的目的；严寒的冬天如何保暖，汽车发动机常用水来散热，保护秧苗不被冻坏而往往采用在夜间向稻田里灌水，都充分利用了水的比热大这一特性；水稻生长在夏季，是由于水稻是喜高温的植物；各种机械轴承、火车轮箍的制造是充分利用固体的热胀冷缩原理。这些都是热学知识在生产生活中的重要应用。 答案补充 三、光、声现象的应用 人类生存需要光。白天靠阳光，夜间需要灯光，设想宇宙无光，整个世界将陷入一片漆黑，所有生物将无法生存，由此可见光的重要性。然而光到底遵循什么规律，人类怎样利用这些规律为自己服务，这是人类研究光的目的所在。如日月食现象中遵循的是光在同一均匀介质中沿直线传播；教室里通常用日光灯管而少用白炽灯，除为了节省能源外，更重要的是白炽灯这种光源容易形成阴影，而日光管是平行光，可以避免阴影使我们能够很好的工作学习；夜间行驶的汽车内不开灯是为了避免挡风玻璃反射光而影响驾驶员的视线，汽车的反光镜用凸镜而不用平面镜是为了扩大观察范围，近视眼病人要佩戴凹透镜是为了矫正物体成像在人的视网膜上，手电筒能“收光”是利用凹透焦点发出的光能平行射出。另外，教室的长度限制10m左右是避免原声、回声两次声音，从而使两种声音叠加在一起，加强原声；两山距离和海底深度的测定也是利用声音的传播原理。 答案补充 四、电学知识的应用 自法拉发现电磁感应现象以来，人类进入了电气化时代。从生活用电到交通运输、工厂企业用电，都来源于发电机，电已成为人类必不可少的主要能源。在我们的生活中，随处可见电的应用。如夜间走路用的手电，它是将化学能转化为电能；干电池不会发生触电事故，而照明用电如使用不当，将会危及我们的生命安全，这是因为不高于36V的是安全电压，而照明电路的电压是220V，远远高于安全电压；煮饭用电饭煲、电炒锅是将电能转化为内能，电力机车的行驶也是靠电能，一切家用电器都需要电。假设没有电，电动机将不能转动，电力机车不能行驶，电器都不能工作，人类社会将会倒退。因此，电是人类的好伙伴，只要我们严格遵循安全用电原则，我们就可以驯服它，利用它为人类服务。 总之，物理知识从生活实际到高科技前沿，它的应用十分广泛。作为一名物理教师，不仅要使学生理解学习物理知识的重要性，认识物理知识在当代社会中的重要作用，更要引导学生关注物理学的最新发展，使学生将所学物理知识与当前的社会实践和生活实际结合起来，坚持与时俱进，坚持科学发展观，利用物理知识推动社会和谐发展，更好地造福于人类。 答案补充 生活中的物理小常识 包括 跳高运动员为什么要助跑?为什么可以用吸管“喝”汽水?暖水瓶为什么能保温? 东西太多了，并列举了，非常有用。 写这篇文章时，多举几个例子，2000个字就能凑到了
