自行车上的力学知识

 高二11班第1组研究性学习结题报告 自行车上的力学知识 小组组长：柯 菁小组成员：邓  凡  钮  露  方  圆 方凤玲  冷晓军  杨  豪指导老师：黄 振 日期：2010年12月26日 自行车上的力学知识【摘要】探究自行车上的力学知识，自行车上的省力杠杆、费力杠杆以及对省力费距离、费力省距离、惯性、压强、热膨胀、摩擦等力学知识的分析和自行车在生活中运用的简单概述。【关键词】自行车  力  部件  运动【正文】一、  研究背景及其目的：随着经济的发展及交通工具的日益繁多，和各种因素的影响，自行车逐渐淡忘出人们的视野，我们小组经过调查研究，总结出自行车机械构造及其力学知识，和日常生活中有关自行车的运用，让人们可以更加充分的利用自行车的力学知识为人民服务。研究这个课题的目的就在于，让人们可以更加全面的利用自行车上的各种力学知识。二、  研究过程及方法1.通过网络查询、查阅书籍、向他人请教、实地研究、小组讨论等方法，得到所需内容。2.过程A.通过小组讨论，明确分工B.小组实地观察、记录、归纳C．各小组将其结果汇集，小组讨论、删选D．整合结果，撰写论文三、内容（一）简述自行车的构造及其作用自行车的车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等25个部件中，其基本部件缺一不可。按照各部件的工作特点，大致可将其分为导向系统、驱动系统、制动系统。 1、导向系统：由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。人们可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。 2、驱动系统：由脚蹬、中轴、链轮、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。人的脚的作用力是靠脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动。3、制动系统：它由车闸组成，人们可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、停止。 A.车把：是省力杠杆，用很小的力可以转动自行车前轮，来控制自行车的运动方向和平衡；B.踏脚：用到了杠杆原理，以飞轮的轮轴为支点，用较长的铁杆来转动链条上的飞轮，可以省力；C.前闸、后闸：是一个杠杆具有省力的作用；D.后轮：作用在轮轴上的变形杠杆，但费力 ；E.龙头（把手）：通过轮轴可以轻松的控制方向；F.踏脚板与齿轮 ：作用在轮轴上驱动自行车行走，可以省力；G.刹车闸：车把上的刹把是省力杠杆，人们可以用很小的力作用在车把上就可以使车停止；H.大车轮与小车轴 ：作用在轮轴上可以加快行驶的速度 ；I.大齿轮与小齿轮 ：通过轮轴提高车轮转速； J.车闸把与连杆:是一个省力杠杆，可增大对刹车皮的拉力；K.中轴上的脚蹬和花盘齿轮：组成省力轮轴但脚蹬半径大于花盘齿轮半径 ；L.自行车手把与前叉轴：组成省力轮轴但手把转动的半径必须大于前叉轴的半径 ；M.后轴上的齿轮和后轮：组成费力轮轴但齿轮半径必须小于后轮半径 。 （二）具体介绍一些与力学知识有关的自行车部件： 1、车架部件是构成自行车的基本结构体，也是自行车的骨架和主体，其他部件也都是直接或间接安装在车架上的。为了减少快速行驶的阻力，自行车还可以采用流线型的钢管，还有为了减少空气阻力将辐条制成扁流线型。 2、外胎：分软边胎和硬边胎两种。软边胎断面较宽，能全部裹住内胎，着地面积比较大，能适宜多种道路行驶。硬边胎自重轻，着地面积小适宜在平坦的道路上行驶，具有阻力小，行驶轻快等优点。 3、脚蹬部件：脚蹬部件装配在中轴部件的左右曲柄上，是一个将平动力转化为转动力的装置，自行车骑行时，脚踏力首先传递给脚蹬部件，然后由脚蹬轴转动曲柄，中轴，链条飞轮，使后轮转动，从而使自行车前进。脚踏：可分为整体式脚踏和组合式脚踏。脚踏必须有脚踏面，必须安全可靠，必须转动灵活，具有一定的防滑性能。 4、前叉部件：前叉部件在自行车结构中处于前方部位，它的上端与车把部件相连，车架部件与前管配合，下端与前轴部件配合，组成自行车的导向系统。转动车把和前叉，可以使前轮改变方向，可以起到控制自行车行驶的作用。前叉部件的受力情况属悬臂梁性质，所以，前叉部件必须具有足够的强度。 5、链条：链条又称车链、滚子链，安装在连轮和飞轮上。作用是将脚踏力由曲柄、链轮传递到飞轮和后轮上，带动自行车前进。 链轮：为了保证链轮达到需要的拉力，所以，必须用高强度的材料制造。 6、飞轮：从结构上可分为单级飞轮和多级飞轮两大类。 单级飞轮又称为单链轮片飞轮，主要由外套、平挡和芯子、千斤、千斤簧、垫圈、丝挡几钢球等零件组成。它的工作原理：当向前踏动脚踏时，链条带动飞轮向前转动，这时飞轮内齿和千斤相含，飞轮的转动力通过千斤传到芯子，芯子带动后轴和后轮转动，自行车就可以前进。 多级飞轮是自行车变速装置中的一个重要部件。当停止踏动脚踏板时，链条和外套都不旋转。但是，后轮在惯性作用下仍然带动芯子和千斤向前转动，这时飞轮内齿产生相对滑动，将芯子压缩到芯子的槽口内，千斤又压缩了千斤簧。当千斤齿顶滑到飞轮内齿顶端时，千斤簧被压缩得最多，再稍微向前滑一点，千斤被千斤簧弹到齿根上，发出“嗒嗒”的声响。芯子转动加快，千斤也很快在各个飞轮内齿上滑动。当反向踏动脚踏时，外套反向转动，会加速千斤的滑动。多级飞轮是在单级飞轮的基础上，增加几片飞轮片，与中轴上的链轮结合，组成各种不同的传递比，从而改变了自行车的速度。 （三）自行车上简单机械的力和运动的应用 1.测量中的应用  在测量跑道的长度时，也可运用自行车。如普通车轮的直径为0.71米或0.66米。那么转过一圈长度为直径乘圆周率π，即约2.23米或2.07米，然后，让车沿着跑道滚动，记下滚过的圈数n，则跑道长为n×2.23米或n×2.07米。 2．力和运动的应用 (1)减小与增大摩擦。   车的前轴、中轴及后轴均采用滚动以减小摩擦。为更进一步减小摩擦，人们常在这些部位加润滑剂。 ① 多处刻有凹凸不平的花纹以增大摩擦。如：车的外胎，车把手塑料套，蹬板套、闸把套等。②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，因此，车可迅速停驶。而在刹车的同时，手用力握紧车闸把，增大刹车皮对钢圈的压力以达到制止车轮滚动的目的。  (2)弹簧的减震作用。 车的座垫下安有许多根弹簧，利用它的缓冲作用可以减小震动，使人们坐在上面更加舒服。3．压强知识的应用 (1)自行车车胎上刻有载重量。若车载过重，那么车胎就应受到压强太大而被压破。   (2)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压强，使人骑车不易感到疲劳。 4.运动和力的应用 刹车时,手用力握紧车闸把,增大刹车皮对车轮钢圈的压力,以达到制止车轮滚动的目的.刹车时,车轮不再滚动,而在地面上滑动,变滚动为滑动后,摩擦大大增加,所以车能够迅速制动。 （四）自行车上力学知识的运用 1．惯性定律的运用 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呢？这是因为前轮受到阻力而突然停止运动，但车上的人和后轮没有受到阻力，根据惯性定律，人和后轮要保持继续向前的运动状态，所以后轮会跳起来。所以要切记下坡或高速行驶时，不能单独用自行车的前闸刹车，否则会出现翻车事故！ 2.功和能的知识运用 人们在骑自行车上较陡的坡时,往往走'S'形路线,这是根据功的原理.如图,坡长相当于斜面长,坡高相当于斜面高,根据功的原理:W1=W2,即FL=Gh,亦可写作:,可看出,斜面长L是斜面高h的几倍,所用的力F就是重力G的几分之一,所以,在高度h不变的情况下,斜面越长越省力,走'S'形路线是为了增大斜面长,从而能顺利上坡。 3.热膨胀知识的运用 在炎热的夏天,车胎内的气不能充得太足,也不能放在烈日下曝晒,因为车胎内的空气受热急剧膨胀,压强猛增会将车胎胀破。 4.机械能与内能的转化 用打气筒给车胎打气,过一会儿,筒壁会热起来,这是因为压缩筒内气体和克服活塞与筒壁的摩擦做功,使筒壁内能增加,温度升高,所以筒壁会发热。 四、研究体会：① 一种简单的交通工具居然包含如此之多的力学知识，可想而知物理就在我们身边。若生活中没有力的存在，我们的生活蒋会成什么样子！  ②物理无处不在，我们的生活、学习、工作离不开物理，只有通过我们细心的观察、发现、探讨才能更多的了解物理在生活中的重要性。我们只有更多的了解物理才能使我们的生活更加舒适，更加美好。  ③同时，通过此次调查研究，提高了我们的团结合作能力，也是我们对物理的研究更加深入！