关于自行车运动时的受力分析

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作者来源:admin       发布时间:2019-08-24
导读:关于自行车运动时的受力分析 李得兆 甘肃省庆阳市陇东中学 高一(1)班 (手机 ) 指导老师 :陈胜利(物理) 摘要 本文对人在骑自行车过程中不同状态分阶段进行了详细的受力分析

  关于自行车运动时的受力分析 李得兆 甘肃省庆阳市陇东中学 高一(1)班 (手机 ) 指导老师 :陈胜利(物理) 摘要 本文对人在骑自行车过程中不同状态分阶段进行了详细的受力分析, 并根据理论力学的 一些基本原理,分析了自行车在不同状态时车轮的受力特点。 自行车的五种状态:静止、启动、爬坡、下坡、刹车。 关键词 物理建模 自行车、车轮、分析、建议 前言 自行车是我们生活中最常见的交通工具之一, 据统计中国大概有七亿辆自行车。 骑自行车是当下户外活动的热门交通方式,他不仅有益于身心健康,更体现了 环保、自然的生活理念。 简单的自行车中含有许多的物理学知识,现在我们将对自行车做受力分析。 正文 工作原理:在我们蹬脚踏时,我们的蹬力带动前齿轮转动。前齿轮带动车链转 动,车链又带动后齿轮转动,再由后齿轮带动后车轮转动。后轮转动时,受到向 前的摩擦力作用,推动自行车前进。 忽略空气阻力的条件下, 人在骑自行车的过程中,其受力与运动状态在不同阶 段下是不相同的: 第一阶段,静止,人与车的重力与地面对车的支持力平衡; 第二阶段,起动时,轮速大于车速,后轮是自行车前进的动力来源,所以后轮 是主动轮。在接触面,后轮相对地面向后运动,所以摩擦力向前,后轮和车会做 加速运动。前轮是从动轮,受到的摩擦力向后; 第三阶段,匀速前进,匀速时,车受力平衡,人踩的力和和车轮与地面的摩擦 力相互抵消。 后轮与地面相对向后运动,所以摩擦力向前。前轮作为从动轮,摩擦力向后。 前后轮受到的摩擦力大小相等,方向相反; 第四阶段,下坡,当骑行者不在踩踏板的时候,后轮的速度小于车速。因此, 后轮随车的向前运动而转动,两个轮子都变成了“从动轮” 。 在接触面,后轮与地面相对向前运动,所以摩擦力方向向后,前轮摩擦力始终 向后。 滑下过程中, 前后轮摩擦力均向后,故整个车体所受的摩擦力为与运动方向相 反的阻力; 第五阶段,刹车,不同的刹车方式会产生不同现象:当需要紧急刹车时,如果刹 车前闸,身体会受到猛烈的冲击。若车速过快或车较轻,自行车还有可能猛甩一 下。而刹车后闸则比较平稳,震动不大。所以一般推荐使用后闸; 分析及推导 一、 自行车处于静止状态 由平衡条件:Fa+Fb=mg(Fa、Fb 分别为地面对前轮、后轮的支持力;mg 为人 和自行车的重力之和。) 二、 自行车加速启动 不考虑竖直方面受力,对水平方面受力分析: F后 ? F前 = ma 三、滑下过程中 垂直于斜面方向: FN1 + FN2 = mg cos θ (FN1、 FN2 分别为斜面对前后轮的支持力,θ 为斜面的倾斜角) 沿斜面方向: mg sin θ ? Ff1 ? Ff2 = ma (Ff1 、Ff2 分别为斜面对前后轮的摩擦力,a 为自行车下滑时合外力产生 的加速度)

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