1、 自行车中的物理原理结题报告课题成员：李远 黄思睿 徐阳东 谭煜 董益明指导老师：谭元富摘要：中国是自行车王国，自行车是生活中重要的代步工具。自行车虽然简单，但其中蕴涵了许多物理原理。我组成员对此很感兴趣，经过对自行车基本结构的了解之后，我们着重从以下三个方面进行研究：1.刹车中的物理原理；2.上坡时不同行进路线与费力状况的关系；3.变速齿轮中的物理原理。背景：自世界上第一辆自行车问世至今已有 200 多年的历史了。18 世纪末，法国人西夫拉克发明了最早的自行车。这辆最早的自行车是木制的，其结构比较简单，既没有驱动装置，也没有转向装置，骑车人靠双脚用力蹬地前行，改变方面时也只能下车搬动车子。即
2、使这样，当西夫拉克骑着这辆自行车到公园兜风时，在场的人也都颇为惊异和赞叹。1817 年，德国人德莱斯在法国巴黎发明了带车把的木制两轮自行车。这是世界上第一批真正实用型的自行车。在 20 世纪,亚洲的中国获得了前所未有的普及和发展。现在中国的自行车产量、消费量、出口量均居世界第一。中国老百姓拥有 5 亿多辆自行车。年出口达到 2000 万辆。从某种意义上来说，中国是一个自行车的王国。每天清晨和落日时分，滚滚车流在中国的城市中碾动，这是最为壮观的一道风景，这是一条现代中国流动的长城。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
3、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。三、 刹车中的物理原理在骑自行车的过程中，我们常常要用到刹车。刹车时，刹皮与车圈间的摩擦力，会阻碍后轮的转动。手的压力越大，刹皮对车圈的压力就越大，产生的摩擦
4、力也就越大，后轮就转动的越慢。如果完全刹死，这时后轮与地面之间的摩擦就变为滑动摩擦力（原来为滚动摩擦，方向向前），方向向后，阻碍了自行车的运动，因此就停下来了。前剎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。以前轮夹式剎车和传统后轮轴心的盘式剎车来比较，对同样大小的剎车压力而言，前者因力臂较长，会比后者有较大的力矩，效果较佳。我们的实验过程如下：首先，我们选取了一块水平路面，并在地上画一根线作为记号。实验时我们让自行车在通过这根线时开始刹车。通过测量自行车的刹车痕迹来判断不同情况下的刹车状况。第一组我们模拟的是不按刹车的情景。实验中，我们可以看到实验者骑自行车经过这根线
5、时没有按下刹车，由于自行车具有初速度，所以会因为惯性继续向前运动。此时，自行车又受到地面滚动摩擦力的影响，在行驶了一段距离后，速度逐渐减慢，直至停止。第二组我们模拟的是按前刹车的情景。实验中，我们可以看到实验者骑自行车经过这根线时按下前刹车，由于前轮为从动轮，两轮会同时被卡住。此时，两轮受到的摩擦力由滚动摩擦变为滑动摩擦，在很短的时间内停下来。第三组我们模拟的是按后刹车的情景。实验中，我们可以看到实验者骑自行车经过这根线时按下后刹车，由于后轮为驱动轮，所以只有后轮会被卡住。此时，后轮受到滑动摩擦力，而前轮受到滚动摩擦力，自行车仍能在很短时间内停下来。在实验过程中，我们又发现，当人骑自行车前进时
6、，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否则后轮会跳起来。这就提醒我们在下坡或高速行驶时，切记不能单独用自行车的前闸刹车，否则会出现翻车事故。四、上坡时不同行进路线与费力状况的关系当我们骑自行车上坡时，我们总希望尽量省力一些。根据功的原理：省力必定费距离。因此对于这个问题，我们小组成员猜想不同的行进路线可能对这个问题有一定的影响。为了探究这其中的物理原理，我们的实验过程如下：第一次我们模拟的是沿直线上坡的情景。第二次我们模拟的是沿 S 形路线上坡的情景。相比之下，第二次实验时的行进路程较第一次长，但是实验者可以明显感
7、到第二次实验时比较轻松。由此我们得出以下结论：根据功的原理，不管行进路线如何，爬上坡顶升高的高度时一样的，但走 S 行路线所走的路线比较长些，相当于把斜面的长度拉长了，在高度相同的情况下，斜面越长越省力，所以走 S 行路线省力些。同时，在实验过程中，我们还发现，骑自行上坡过程是动能转化为势能的过程，上坡前可以用力蹬几下，这样能增大了车的速度，从而增大了车的动能，上坡过程中，这些动能转化为势能，车子容易爬到坡顶。五：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。
8、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，后轴飞轮有几个直径、齿数不同的齿盘，选择不同齿数的齿轮，通过链条相连带动，后轮转动的快慢就改变了。我们的实验过程如下：第一次我们模拟的是运用大齿轮组爬坡的情景。实验中，自行车行进的速度比较快，实验者也感到比较轻松。第二次我们模拟的是运用小齿轮组爬坡的情景。实验中，自行车行进的速度比较慢，实验者也感到比较吃力。六、 总结自行车虽然简单，其中蕴涵着丰富的
9、物理原理。本次研究性学习活动中，我们在查阅了与自行车相关资料和已有物理知识的基础上，通过一系列的对比实验着重研究了刹车、行进路线以及变速中的物理原理。我们的实验帮助我们验证了一些所学过的物理知识，同时在实验过程中我们又有了自己的新发现，由此对与生活息息相关的自行车有了比较深入的了解。七、 心得体会在这次十分有意义的研究性学习活动中，我们小组的所有成员都亲自参与其中，仔细观察，认真思考，敢于发问，勇于探索，并且努力总结。同时，我们也培养了与他人合作的精神，丰富了我们的知识，锻炼了我们的收集、整理和分析信息的能力，发现了自己潜能和价值，增强了自信。对于这份经过努力而收获的成果，我们感到十分的满意，也乐在其中。我们都希望以后能有更多的机会再次利用集体的力量去解决更多、更有趣的问题。参考文献：十万个为什么百度网站 骑行网论坛 http:/ 物理 1、2“啨之家”博客 http:/
