自行车如何运动

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  自行车是生活中常见又环保的代步工具,在污染越来越严重的现代社会,自行车变得越来越流行。
  小时候,爸爸妈妈带我学骑自行车,我当时的第一想法就是自行车的前轮和后轮为什么可以同时运动?动力来源是什么?限于当时的知识水平和理解能力,我一直没能明白自行车运动的具体原理。随着年龄的增长,自己学了力学、运动学等相关物理知识,便慢慢尝试去解释自己小时候的疑问。
  通过分析得知,骑自行车时,脚踩脚踏,给脚踏施加一个外力,通过曲柄传递到链轮,链轮转动,具有一个线速度V1和角速度ω1,通过链条把速度传递给飞轮,飞轮具有一个线速度V2和角速度ω2。由于飞轮和后轮由后轴固定在一起,所以后轮获得一个线速度V3和角速度ω3。后轮获得速度之后驱动前轮转动,前轮获得一个线速度V3和角速度ω3(由于前轮和后轮直径大小相等,因此前、后轮线速度和角速度大小相等)。
  由于V=ωR(R是圆形轮子的直径),在链条的作用下,链轮和飞轮的速度相等,即V1=V2,所以 ω1R1=ω2R2,而且R2ω1,所以我们在骑自行车时只需用脚轻轻转动,就能让飞轮获得一个很大的角速度。有些自行车采用多级飞轮进行变速,基本原理就是多个飞轮片半径不同,导致R2、R1不同,进而达到变速的目的。自行车由于飞轮和后轮通过后轴固定在一起,所以后轮和飞轮具有相同的角速度,即ω2=ω3,所以V2/R2=V3/R3,因为R3>R2,所以V3>V2。
  综上所得,只需轻轻转动链轮,就可以给自行车提供很大的速度。而且R2比R1小得越多,R2比R3小得越多,就会导致V3比V2大得越多,在链轮转速相同的情况下,自行车获得的速度就越大,所需要的外力也越来越大。
  接下来分析自行车车轮的转动方向以及动力来源。由高中力学知识可知,摩擦力的方向和相对运动方向或相对运动趋势的方向相反,当链轮顺时针转动时,通过链条带动飞轮顺时针转动,飞轮通过后轴带动后轮顺时针转动。此时后轮相对地面向后运动,同时受到地面施加给它的一个向前的摩擦力F1,这个摩擦力是自行车运动的动力来源,这也就解释了为什么自行车能向前运动了。
  如果地面太光滑,会导致摩擦力过小,此时自行车非常容易滑倒。我们平常在自行车轮胎上看到的凹凸不平的花纹,也是为了增大轮胎和地面的摩擦力而设计的。
  在分析完后轮的受力方向之后,我们也能很容易对前轮的受力方向进行分析了。前轮在后轮的作用下顺时针转动,此时前轮相对地面向前运动,受到地面对其向后的摩擦力F2,此时前轮的转动方向和受力方向相同,在这个力的作用下,前轮便继续顺时针运动起来。(指导老师:徐业权)
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