首先，是自行车上的摩擦力。自行车前轮受向后的滚动摩擦力，后轮受向前的静摩擦力。摩擦力分为动摩擦力和静摩擦力，动摩擦力又分为滚动摩擦力和滑动摩擦力。这里车运动时的摩擦实际上是轮胎与地面的摩擦。根据静摩擦力定义：静摩擦力是相对运动即将开始瞬间的摩擦力，可得车匀速运动时，后轮胎和地面之间没有相对运动（有相对运动轮胎就打滑了），所以是静摩擦力。又根据摩擦力的定义：摩擦力是阻碍物体运动或者相对运动的，所以车运动方向向前，而且前轮没有受牵引力，可以整个车子的运动看做一体。所以摩擦力向后，阻碍运动。而后轮受到脚转动链条的牵引力的作用，车轮向后转动，所以摩擦力向前。也可以根据二力平衡分析，因为后轮胎受到一个向前的牵引力，而且又是做匀速直线运动，即处于平衡状态，受到的合力为零，所以车受到向前的牵引力的同时，也受到一个等大，反向（向后），共线的力，这个力就是摩擦力。车匀速运动时，后轮和地面接触的那一点没有相对运动。这是车轮的转动与平动两种分运动合成的问题：车轮的车轴有一个与车的整体相同的平动的速度v，车轮上的其他各点因与车轴是一体的，所以也都参与这一平动，但是，除此之外，那些点还有另一种运动——绕车轴的转动，这两种运动要合在一起才是那些点的真实运动。各点的相对于车轴因转动而具有的速度的大小方向各不相同：那些越靠近车轴的点速率（即速度的大小）越小，越边缘的越大；各点的速度方向都垂直于该点到车轴中心的连线；车轮上部各点的速度在水平方向的分量与整车的平动速度v同向，而下部则反向。正常行驶时，车轮最下端的那一点有随车轴的平动速度v，同时又有相对于车轴的因转动而具有的-v，合起来正好是0（作为对比，想想车轮最上端的那一点，它有随车轴的平动速度v，同时又有相对于车轴的v，合起来是2v——那一点的速度比整车快一倍！）。我们能看到路面上清晰的车轮印，就因为车轮最下端与地面接触的瞬间相对于地面的速度为0，否则就像紧急刹车时，车轮在地面拖过，痕迹是一条带状，不会再有清晰的轮胎花纹。之所以接触的那一点会运动起来，是因为那一点是车轮的一部分，它要受到车轮其他部分对它的约束力。车轮在链条的作用下转动起来，也就带着那一点运动了！自行车匀速运动时受到平衡力，此时脚踩动踏板的力等于车子本身的摩擦和轮胎与地面的摩擦。自行车转动车把，自行车车身也转动，车身与车把无论怎么转动，最后都是在一条直线上。这一问题涉及到二力平衡等。另外，自行车上还有很多涉及到摩擦力的地方：车把，踏板，轮胎等等都有牵涉到静摩擦力。还有就是车把实际上是一个等臂杠杆，踏板踩动的那个轮轴也是一个杠杆（支点在轮轴中心）。以上就是自行车上比较常见的物理现象，抱歉我语言有点罗嗦，你自己再组织一下吧。
前几天差评君跟同事一块出去 旅游 ，发现他竟然不会骑自行车，我本来以为这是全国小学生的必备技能，问了一圈发现，还真有不少人因为天生缺少平衡感而不会骑车。
不过这也能理解，毕竟大家的天赋点都选的不一样。但我又好奇， 除了人体自身的平衡感，还有什么东西能让自行车这个两个轮子的玩意保持平衡呢？
于是我查了查资料，好家伙，原来在过去的一百多年时间里，自行车为什么不会倒这个问题，让无数物理学家，数学家想破了头。
为此他们还发表过英、德、法、俄、意大利等各种语言的上百篇论文。法国科学院还为此设立了物理竞赛。而直到今天，这个问题也不能说是完全解决了。
于是网上许多文章，甚至把 “ 自行车为什么不会倒 ” 写成了 “ 世纪未解之谜 ”。
这样一个看似简单的问题，为什么困扰了无数科学家一个多世纪的时间呢？今天跟大家聊一个发生在自行车身上的科学原理。
一、自行车平衡之谜研究史
其实自行车早在十八世纪就被法国人发明出来了，而这个可以称得上是世界上第一辆自行车的玩意儿，其实跟 “ 自行 ” 没有半毛钱关系。
它没有驱动装置，没有脚踏板，甚至没有转向！看上去就是个长了两个轮子的长条板凳，得靠人来蹬地驱动，才能前进。大概就是这个动作。
什么？你想转弯？好，人先给我下来，抱着车转吧。
由于这玩意实在太过原始，严谨的德国人看不下去，于是给它加上了可控方向的转向系统，俗称，车把。虽然还是得靠人蹬地来驱动，但好歹，不用搬着它转来转去了。
接下来的几十年的时间里，自行车的设计经过了欧洲多个国家的人不断改进演变，期间一度变成了非常反人类的造型，比如，下面这个版本的自行车，你要没点腰马合一的功夫，还真别想骑走它。
到了 1874 年，终于，它被英国人劳森改造成了正常人都能骑的样子。
劳森发明了一种精密的机械结构，通过一条铁链，让前轮在后轮的传动下运动。也就是我们现在熟悉的铰链。比马背还高的座椅也终于有机会从直径超过一米的前轮上移向更低更靠后的位置。
看到这里，估计差友们也多多少少体会到了， 自行车，从一开始就不是依托缜密的物理学、数学理论公式设计出来的。
它的诞生，完全是人类生活经验的产物。
不过存在即合理，自行车不仅存在了快两个世纪，而且还不断 “ 进化 ”，甚至可以不借助人力自己保持平衡了，如此神奇的现象，肯定应该有个能用来解释它的科学依据吧？
于是乎，科学家们开始倒回去反推它的设计原理，结果发现，诶？这玩意儿太玄学了，居然没法儿用现有的科学理论去解释！
1869 英国著名的力学家、工程师兰金 （ William John Macquorn Rankine ）发表了一篇题为《自行车运动的动力学原理》 （On the dynamical principles of the motion of veloci-pedes ）的文章，这也是最早讨论自行车平衡问题的论文。
1899 年，英国数学家惠普尔建立了一个由车体质量、车轮半径、转向角度等等 25 种复杂参数组成的模型， 来研究不同参数对平衡性的影响。
1910 年前，在惠普尔的数据之上，德国物理学家索墨菲和数学家克莱因提出了 “ 陀螺效应 ”，这个理论也被公认为是自行车保持平衡的奥秘。 ( PS : 以下讨论的稳定都是 “ 自稳定 ”，也就是指无人操作状态下自行车的稳定性 ）
二、陀螺效应和角动量守恒
那啥是陀螺效应呢？
陀螺效应有两个特点， 一是定轴性，二是进动性。
举个例子来说，大家小时候应该都玩过陀螺吧，玩过的同学可能会发现，旋转的陀螺，状态非常稳定，就算遇到外力干涉，它的平衡都很难被破坏掉。
这是因为高速旋转的物体，会产生一个叫做 “ 角动量 ” 的物理概念。学过初中物理的都知道，力乘以力臂叫 “ 力矩 ”，所以动量乘以动量臂就叫动量矩，也就是叫动量。
或者你可以把它简单理解成是旋转的状态。
我们还拿陀螺举例，当陀螺静止的时候，它不可能直立保持平衡，但高速旋转的时候，就会产生一个方向的角动量。我们可以用右手定则来判断角动量的方向。
此时陀螺的角动量方向就是垂直向上。而角动量的方向一旦形成，就极难改变，所以陀螺就保持平衡了。
这就是陀螺效应的定轴性。
但你会发现，陀螺除了 “ 自转 ” 以外，还会出现围绕垂直轴而形成的 “ 公转 ”，这个状态，就叫作陀螺进动。
科普团队真理元素曾经做过实验，把几十斤重的铁饼，固定一端，在高速旋转的状态下，这个装置完全能战胜重力，给人一种不合常理的感受，就像有人拉着另外一端似的悬在半空。
如果把它换成质量更轻的自行车车轮，那就更不在话下了。
而此时，如果对这个高速旋转的物体施加外力，会有两种情况，
我们再回到自行车上。
因为车轮转动的方向是不变的，它的角动量方向也会一直指向侧边，而当轮胎的旋转速度足够快的时候，不管车上有没有人操控，它们都会保持一个几乎恒定的方向前进，即使是出现倾斜，车体也不会随便改变方向，而是发生平移。
这也是为什么， 越是速度快的自行车，越是难以迅速转弯，因为你要施加足够大的力来对抗车轮的角动量。
我们生活中有很多现象都存在 “ 陀螺效应 ”，比如打水漂，如果你老是失败，多半是因为石头的旋转速度还不足以形成让它保持方向的角动量。
还有飞盘，飞盘从被扔出去到落回到你的手里，整个过程会一直遵循角动量方向不变的规律。
说到这，大家估计理解的就差不多了。不知道 “ 陀螺效应 ” 这个理论能不能说服你，实不相瞒，我反正是被说服了。而这套理论也主导了自行车研究界好长一段时间。
三、琼斯和他的前轮尾迹
直到 1970 年，有个叫琼斯的英国化学家突然跳出来说，自行车能够保持平衡，并不是因为 “ 陀螺效应 ”！而是另有原因。
这人确实没瞎掰，他是真的发明出了抵消陀螺效应的自行车。
这辆的自行车特别之处在于它有一大一小两个前轮！大前轮在小前轮的传动下，会向反方向旋转，也就是说这两个轮子的角动量是完全相反， 且相互抵消的，所以这辆车成功的消除了陀螺效应！
神奇的是，它也能和普通自行车一样保持平衡。
一个近百年来公认的理论就这样被推翻了。
那既然自行车能保持平衡并不是因为陀螺效应，又是因为啥呢？琼斯这哥们也给出了自己的理论解释。
他说啊，自行车之所以能保持平衡，是因为自行车的前轮设计里，有一个叫前轮尾迹的东西。简单说就是自行车前叉的延长线跟前轮中心垂直线的距离。
懂 汽车 的朋友可能听说过这么一个词， 叫主销后倾，在原理上，它和前轮尾迹是同一个东西。
为啥说这玩意是自行车保持平衡的关键呢。
大家有没有注意到，当自行车行驶的时候，如果发生倾倒，车头会朝同一个方向转动，然后重心就会重新回到自行车前轮的下方，而出现这种情况， 就是因为前轮中心比车把更靠前，重心会带着转向轴向一个方向转动。
琼斯还研究了前轮尾迹为负的情况，也就是车子前叉向前倾倒，这种情况下，当自行车向一侧倾倒时，车轮会向反方向偏转，非常难稳定。所以 琼斯认为前轮尾迹越长，自行车的平衡能力也就越好。
同理，还有购物车和办公椅的脚轮，不管你怎么拉动它们，这些轮子的前轮尾迹永远是一个正值，而这样的设计就是为了让他们方向更稳定。
嗯，听起来很有道理。差评君又相信了。
四、《科学》杂志打破前轮尾迹
而到了 2011 年，5 位学者在《科学》杂志上发表了一篇文章，他们论证了在既没有陀螺效应也没有前轮尾迹的条件下，自行车照样可以行驶得很稳定。怎么实现的呢，还是造车。
他们做了一个更奇葩的自行车，先是在前后轮上加了反转的辅助轮，然后又让车轮中心在前叉之前。所以这车既没有陀螺效应，又是一个负的前轮尾迹，当然，它还是可以保持平衡稳定前进。
那这辆车是怎么保持平衡的呢，就是通过车身结构，来控制自行车的质量分布。于是这 5 位学者给出结论，压根不用什么陀螺效应和前轮尾迹，只要在一定的质量分布条件下，完全可以平衡。
但这篇论文并不是完全否定了前人的研究，相反，他们认为陀螺效应和前轮尾迹的理论非常重要，因为他们发现，其实自行车保持平衡的秘密早就被我们掌握了。
还记得 1899 年英国数学家惠普尔（Whipple）建立的模型吗？这个模型由二十五个复杂参数组成，并涉及到两个二阶微分方程，而这些方程的解表明， 在受到微小扰动后，自行车的倾倒趋势会随时间而衰减，直至直立向前行驶。
用人话说就是，如果自行车要倾倒，就一定会发生转向，而有了这个转向就会使车子重新回正。
所以他的研究就已经解释了自行车为啥不会倒。 而 “ 陀螺效应 ” 和 “ 前轮尾迹 ” 理论其实是在解决为什么自行车倾倒后会发生转向的问题。
除此之外，有无数其他参数都可能会对稳定性造成影响。
比如自旋动量，车把的倾斜，质心位置，前后组件的惯性等等。用五位作者的话说： 自稳定的一个简单必要条件是，必须存在至少一个倾斜导致转向的因素。
也就是说，“陀螺效应 ” 和 “前轮尾迹 ”并没有错，他们都是自行车稳定中的充分不必要条件。而这 5 位学者的研究又给为其增加了新的充分不必要条件，即车身质量分布。
所以！自行车保持平衡并不是一个所谓的 “ 未解之谜 ”，只是在科学家们的研究下，这个问题经过了三次迭代，一次比一次完整，一次比一次理解深刻。
现在已经有自动程序可以模拟自行车的平衡状况，大家可以通过调整不同参数来研究对自行车平衡性的影响。（JBike6）
未来，说不定科学家们还会发现自行车保持平衡的新条件。
最后
看到这里，可能有同学想问了， 科学家为啥非得和自行车过不去呢？
其实一开始我看到这个问题的时候也有这样的想法，大家已经可以轻松驾驭自行车了，你还在研究为啥自行车不会倒，岂不是没什么实用价值。
但仔细想想，人类已经上至寰宇，下至深海，在科学上到达了前所未有的高度，但低下头来，连自己脚下的自行车都没有搞明白，这对于 “ 一事不知，深以为耻 ” 的科学家们来说，简直比强迫症发作还难受。
如果所有人只停留在 “这不已经能用了，何必再深究”这个层面，人类科学是不会前进的，无数的 科技 成果，也都来自于看似无用的科学研究。
法拉第用圆盘发电机来展示电磁感应原理时，曾被一位观众，“ 这东西有什么用呢？”而法拉第回答：“ 一个刚刚出生的婴儿有什么作用呢？”
我们今天回头来看，可能会嘲笑那个观众无知，因为我们知道电磁感应是非常有用的，它是交流电的基础。可在当时并没有人知道，连法拉第也不知道。
牛顿研究万有引力也不是为了造出飞机飞船，而是对自然规律的 探索 。正是有了这样的科学基础，无数后人才能将科学理论转化成现实世界的应用。
科学是抽象的，它从不负责有用，只负责求真。 探索 并找到这个世界的真相，才是科学家们毕生努力的意义。
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自行车在我国是很普及的代步和运载工具。在它的“身上”运用了许多力学知识，测量中的应用。在测量跑道的长度时，可运用自行车。如普通车轮的直径为米或米。那么转过一圈长度为直径乘圆周率π，即约米或米。
然后，让车沿着跑道滚动，记下滚过的圈数n，则跑道长为n×米或n×米。力和运动的应用。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。
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。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，故车可迅速停驶。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。弹簧的减震作用。车的座垫下安有许多根弹簧，利用它的缓冲作用以减小震动。压强知识的应用自行车车胎上刻有载重量。如车载过重，则车胎受到压强太大而被压破。
扩展资料：
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报告必须绝对如实地反映客观情况，一切叙述、说明、推断、引用，必须恰如其分。文字、用词应力求准确。概念表述应尽量用科学性用语，避免用常识性用语，以免读者费解或产生歧义。
当然，研究报告的文字也必须简单、明了、通顺、流畅，既要明白如话，又要把研究的效果准确地、科学地表达出来。通过全面的调查研究，分析论证某个建设或改造工程、某种科学研究、某项商务活动切实可行而提出的一种书面材料。
参考资料来源：百度百科-研究报告
首先，是自行车上的摩擦力。自行车前轮受向后的滚动摩擦力，后轮受向前的静摩擦力。摩擦力分为动摩擦力和静摩擦力，动摩擦力又分为滚动摩擦力和滑动摩擦力。这里车运动时的摩擦实际上是轮胎与地面的摩擦。根据静摩擦力定义：静摩擦力是相对运动即将开始瞬间的摩擦力，可得车匀速运动时，后轮胎和地面之间没有相对运动（有相对运动轮胎就打滑了），所以是静摩擦力。又根据摩擦力的定义：摩擦力是阻碍物体运动或者相对运动的，所以车运动方向向前，而且前轮没有受牵引力，可以整个车子的运动看做一体。所以摩擦力向后，阻碍运动。而后轮受到脚转动链条的牵引力的作用，车轮向后转动，所以摩擦力向前。也可以根据二力平衡分析，因为后轮胎受到一个向前的牵引力，而且又是做匀速直线运动，即处于平衡状态，受到的合力为零，所以车受到向前的牵引力的同时，也受到一个等大，反向（向后），共线的力，这个力就是摩擦力。车匀速运动时，后轮和地面接触的那一点没有相对运动。这是车轮的转动与平动两种分运动合成的问题：车轮的车轴有一个与车的整体相同的平动的速度v，车轮上的其他各点因与车轴是一体的，所以也都参与这一平动，但是，除此之外，那些点还有另一种运动——绕车轴的转动，这两种运动要合在一起才是那些点的真实运动。各点的相对于车轴因转动而具有的速度的大小方向各不相同：那些越靠近车轴的点速率（即速度的大小）越小，越边缘的越大；各点的速度方向都垂直于该点到车轴中心的连线；车轮上部各点的速度在水平方向的分量与整车的平动速度v同向，而下部则反向。正常行驶时，车轮最下端的那一点有随车轴的平动速度v，同时又有相对于车轴的因转动而具有的-v，合起来正好是0（作为对比，想想车轮最上端的那一点，它有随车轴的平动速度v，同时又有相对于车轴的v，合起来是2v——那一点的速度比整车快一倍！）。我们能看到路面上清晰的车轮印，就因为车轮最下端与地面接触的瞬间相对于地面的速度为0，否则就像紧急刹车时，车轮在地面拖过，痕迹是一条带状，不会再有清晰的轮胎花纹。之所以接触的那一点会运动起来，是因为那一点是车轮的一部分，它要受到车轮其他部分对它的约束力。车轮在链条的作用下转动起来，也就带着那一点运动了！自行车匀速运动时受到平衡力，此时脚踩动踏板的力等于车子本身的摩擦和轮胎与地面的摩擦。自行车转动车把，自行车车身也转动，车身与车把无论怎么转动，最后都是在一条直线上。这一问题涉及到二力平衡等。另外，自行车上还有很多涉及到摩擦力的地方：车把，踏板，轮胎等等都有牵涉到静摩擦力。还有就是车把实际上是一个等臂杠杆，踏板踩动的那个轮轴也是一个杠杆（支点在轮轴中心）。以上就是自行车上比较常见的物理现象，抱歉我语言有点罗嗦，你自己再组织一下吧。
自行车在我国是很普及的代步和运载工具。在它的“身上”运用了许多力学知识， 1．测量中的应用 在测量跑道的长度时，可运用自行车。如普通车轮的直径为米或米。那么转过一圈长度为直径乘圆周率π，即约米或米，然后，让车沿着跑道滚动，记下滚过的圈数n，则跑道长为n×米或n×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。 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。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，故车可迅速停驶。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，利用它的缓冲作用以减小震动。 3．压强知识的应用 (1)自行车车胎上刻有载重量。如车载过重，则车胎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．简单机械知识的应用 自行车制动系统中的车闸把与连杆是一个省力杠杆，可增大对刹车皮的拉力。自行车为了省力或省距离，还使用了轮轴：脚蹬板与链轮牙盘；后轮与飞轮及龙头与转轴等。 5．功、机械能的知识运用 (1)根据功的原理：省力必定费距离。因此人们在上坡时，常骑“S形”路线就是这个道理。 (2)动能和重力势能的相互转化。 如骑车上坡前，人们往往要加紧蹬几下，就容易上去些，这里是动能转化为势能。而骑车下坡，不用蹬，车速也越来越快，此为势能转化为动能。 6．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。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。 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！(一)运动和力的应用 自行车的外胎,车把手塑料套,踏板套,闸把套等处均有凹凸不平的花纹以增大摩擦.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. 车的前轴,中轴及后轴均采用滚动轴承以减小摩擦,在这些部件上,人们常常加润滑油进一步减小摩擦. 1.增大和减小摩擦 自行车上的力学知识 车的座垫下安有粗的螺旋状的弹簧,利用它的缓冲作用以减小震动. 2.弹簧的减震作用 自行车上的力学知识 (二)压强知识的应用 自行车的车胎上刻有载重量,明确告诉人们:不能超载,如车载过量,车胎受力面积不变,则车胎受到太大的压强将被压破. 1.自行车负重 2.车座上的物理 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,使人骑车时感到较舒适. 自行车上的力学知识 (三)简单机械知识的应用 自行车制动系统中的车闸把与连杆是一个省力杠杆,可增大刹车皮的拉力.另外,链轮牙盘与脚蹬,后轮与飞轮,车龙头与转轴等都是轮轴,利用它们可以省力. 自行车上的力学知识 (四)功和能的知识运用 1,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. 自行车上的力学知识 (四)功和能的知识运用 2,动能和势能的相互转化 骑自行车上坡前,人们往往要加紧蹬几下,使车的速度(动能)增大,"动能冲坡",以较大的动能转化为较大势能,能够较容易到达坡顶.而骑车下坡时,不用脚蹬,车速也越来越快,这是势能转化为动能,动能不断增大,所以车速也不断增大 自行车上的力学知识 (五)刹车和惯性 自行车高速行驶特别是下坡时,不能单独用前闸刹车,否则会出现翻车事故,其原因是:前闸刹车,前轮被迫静止,而作为驱动轮的后轮车架和骑车人由于惯性还要保持原有的高速运动的趋势,这时就会以前轮与地面接触处为支点,向前翻转,造成翻车事故. 自行车上的力学知识 (六)测量中的应用 在测量道路的长度时,可运用自行车.如24型车轮直径为米,26型车轮直径为米,车轮转过一圈长度为直径乘以圆周率π,得米或米,然后,让车沿跑道滚动,记下滚过的圈数n,则跑道长n×米或n×米. 自行车上的力学知识 (七)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,更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. 自行车上的力学知识 (八)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. 发现轮胎上有许多纹路 ——增大接触面粗糙程度，可以增大摩擦2发现刹皮很粗糙 ——同理，增大摩擦3自行车龙头左右摆动 ——运用了轮轴，相当于省力杠杆4在光滑的路面上，踩一脚车子很久都不会停 ——当物体不受力时，将永远匀速直线运动（牛顿第一定律）5刹车时我们用很大力 ——增大压力可以增大摩擦1 轮胎上有许多花纹 增大摩擦系数，增大接触免，也就增大了摩擦力 2 刹车 ， 应用了杠杆原理同时也可以增大摩擦力 3 自行车龙头 杠杆原理；运用了轮轴，滚动摩擦力小 4 踏轮 杠杆原理；前齿轮大后齿轮小5 车轴 里面有轴承，减小了摩擦力6 有的车有减震7 外胎是橡胶的增大了摩擦力 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。其中，车架是自行车的骨架，它所承受的人和货物的重量最大。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。乘骑者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（传动或行走）系统：由脚蹬、中轴、牙盘、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。人的脚的蹬力是靠脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动的，从而使自行车不断前进。 3、制动系统：它由车闸部件组成、乘骑者可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、停驶、确保行车安全。 此外，为了安全和美观，以及从实用出发，还装配了车灯，支架等部件。编辑本段组成车体部分 包括车架、前叉、车把、鞍座和前叉合件等，是自行车的主体。自行车(20张)传动部分 包括脚蹬、曲柄、链轮、链条、中轴和飞轮等，由人力踩动脚蹬，通过以上传动件带动车轮旋转，驱车前行。行动部分 即前后车轮、包括前后轴部件、辐条、轮辋（车圈）、轮胎等。安全装置 包括制动器（车闸）、车灯、车铃、反射装置等。 根据需要，还可增加一些附件，如支架、衣架、保险叉、挡泥板、气筒等。另外，装有变速机构的运动车、竞赛车、山地车等还装有变速控制器和前后拨链器等。编辑本段分类公路自行车（Road bicycle） 用来在平滑公路路面上使用的车种，由于平滑路面阻力较小，公路自行车的设计更大考量高速，往往使用可减低风阻的下弯把手，较窄的高气压低阻力外胎，挡位较高，且轮径比一般的登山越野车都大，由于车架和配件不须像山地车一样需要加强，所以往往重量较轻，在公路上骑行时效率很高。由于车架无需加强又往往采用简单高效的菱形设计，公路车是最为优美的自行车。场地自行车（Track bicycle） 用于在室内极其平滑的椭圆形赛道上使用的自行车，这种自行车没有车闸(煞车)，没有变速器，且没有可逆转的飞轮。 三项赛/计时赛自行车（Triathlon/Time Trial bicycle）在三项赛和计时赛运动中使用的公路自行车，三项赛和计时赛的最大特点就是不允许使用牵引气流（draft），也就是说选手必须完全通过自己的力量来克服空气阻力，而不须骑在其他选手后面，所以三项赛/计时赛自行车在设计时非常注重让选手保持一个减小空气阻力的骑行姿势，同时注意减小自行车自身的空气阻力。三项赛自行车还让选手在骑行时使用和跑步时相近的肌肉组，这样使从骑行到跑步的转换更容易。山地自行车（Mountain bike） 山地自行车起源于1977年美国旧金山。 设计为骑乘于山区的车种，通常具有变速器可变换省力或快速的档位，有些会在车架安装避震器，部分的轮胎胎皮是巧克力胎纹以便于在无铺面的路面骑乘。 山地车零件的尺寸一般为英制单位。车圈为24/26/29英寸，轮胎尺寸一般为英寸。车架尺寸也以英制为单位，例如14"、17"、19"来表示车架尺寸的大小。速降自行车（DownHill bike） 山地自行车(Mountain bike)速降自行车，也称落山自行车。英文简称DH。是一种极具挑战性的活动。骑手利用特制的DH自行车在山坡上滑翔，甚至坠山来寻求刺激。活动多在山脊、矿洞、雪地等地带开展。奥地利人利用DH创造出的世界纪录。 速降自行车的车架角度与山地自行车有所区别，零件与山地自行车一样都为英制单位。进行此项活动时必须佩戴头盔、护甲等装备。前叉减震的行程比山地自行车及XC自行车要长。轮胎宽度一般超过2英寸。斜躺自行车（Recumbent） 与传统设计上较不一样的自行车。通常有较大且舒适的座椅，两轮或三轮。优点是舒适，且风阻低。旅行自行车（Touring bicycle） 由公路自行车发展而来，适合超远程自给自足的旅行，有较舒适放松的车架几何设计，能够负重，有很低的最低档位，使用较宽的车胎，配件选择方面追求可靠耐用而不太侧重减轻重量，往往是用山地车脚踏板。广告自行车（Advertising bike） 广告自行车是由中国国家专利局授权（ZL2007 2 ）的薄壳型车架制作的特殊自行车，利用车架表面积发布广告的专业广告自行车。越野公路车（Cross-country cycling） 由公路自行车发展而来，起源于骑手们想用一辆自行车同时征服公路和山地，于是骑手们选用较结实的公路车架和轮子，再安装上更强的车闸和很宽的车胎，使用山地车脚踏板。越野公路车既可以在公路上实现较高速度，也有一定越野能力。 双人/多人自行车（Tandem bicycle） 又称为协力车，由两人以上协同出力，由第一位控制方向。折叠车（Folding bicycle） 是为了便于携带与装进车内而设计的车种，有些地方的铁路及航空等公共交通工具允许旅客随身携带可折叠收合并装袋的自行车。电动自行车（Motorized bicycle） 一种以一半电力驱动和一半人力驱动的环保电动交通工具。电动自行车可以自动侦测双脚施力状况，在需要时以适当的动力辅助踏踩，自动调节动力。在中国广州等地区，因为电池回收等问题，禁止使用电动自行车。小轮车（Cycling BMX） 一种专门用于极限运动的自行车，这类车为了更适合特技表演而作出了不少改造，比如更轻量化的车身，没有刹车，车把可以360°旋转。全木头自行车 自行车 自行车
自行车上的物理知识结题报告一、课题背景我国是一个人口大国,自行车作为一种交通工具，既轻便、环保，又可以健身，深受人们的青睐，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。这人人皆知的自行车上，却有许多等着我们去探究，我们几个同学组成研究小组，经过我们五人和物理老师的一番讨论之后，确立本次研究性学习的主题：自行车上的物理知识。二、课题准备 大家共同商量后，将本次的“自行车上的物理知识”主题分成五个小课题：1． 自行车上的物理知识（范凯达）2． 自行车的相关历史（阮世超）3． 自行车的结构和功能，杠杆知识（许玉宇）4． 自行车上的摩擦知识（李家琪）5． 自行车的设计和改造，并分析自行车前后轮静摩擦力问题（阮方荣）以上课题涉及八年级和九年级《物理》中的知识，我们巩固了初二的内容，也同时对初三《物理》中杠杆这一章节进行复习，也对高一的知识进行了巩固。三、课题目标 为了培养我们自主学习的能力与创新思维，得到独立锻炼的机会，增强社会合作能力，激发了我拉的科学探究精神，学到课本没有的知识，也能通过此次课题更好地从物理这一角度了解自行车。四、课题目的（！）提高在日常生活中发现科学原理的能力（2）自已用科学知识改进日用品性能的能力（3）提高自己观察、收集信息的能力（4）培养创新能力，设计改装自行车（5）培养同学的合作精神，共同探究（6）通过学生亲自调查与访谈，了解自行车上的物理知识，培养学生严谨求实和勇于探索的科学精神、科学方法。（7）让我们初步掌握社会调查研究方法，了解学术研究的基本程序和规范，培养对于学术研究和初步兴趣，体验学术研究的成就感，初步养成良好的学术品质。（8）通过成果展示提高学生进行科学研究的积极性，还能让学生体验到成功的快乐。五、活动步骤与过程阶段一：确定要调查的课题，制定计划及主要任务；分析课题的可行性及研究范围；明确将要调查的对象老题确定完课题，同学讨论分为五个子课题，并分配给了同学，我们小组共同制定了一系列有序可行的计划，期待着能完美完成此次任务。阶段二：研究实物，外出采访自行车摊的师傅，并作记录，调查自行车流行现状，全面搜索第一手资料。 利用周末，我作为组长，将任务交给每一个同学，有的人把自己的自行车搬出来，供大家观察，有的人走进了自行车专卖店，研究自行车结构，并询问有关人员，有的人去了修自行车的摊铺一趟，询问了修车铺的师傅，了解到自行车的内部结构，问了他和脱链的原因。还有的人专门做了问卷调查，并进行整理，概括。周末的实地考察让我们收获了很多，也让人家对自行车的兴趣愈发变浓，感觉才这是真正的了解自行车的开始。 阶段三：查找相关的资料，进一步的试验探究，整理资料及数据。 这几个假期，大家通过各种途径上阶段的资料进行深一步的探究和讨论。<中国百科全书 >《十万个为什么》《辞海》等一些书籍成了我们小组的常客了。大家一有空就上网搜索，下载照片。我们终于了解到了“世界上最原始的自行车”，看到了“世界上最先进的自行车”，感受到了这小小的自行车竟然存在着如此多的奥秘。大家都十分好奇。阶段四：小组成员互相交流，成果汇总。得出调查报告，想出合理建议。 小组同学把这几个星期以来的资料给大家分享，向物理老师和其他人提出自己解决不了的问题，共同交流，找出需要改进的地方，并共同对其进行了筛选、修改。每个人将资料整理成几张小报告，对课题研究进行总结。 片段五：活动感想与体会。 这次综合实践活动让我们离开课堂，来到最普通的生活中去实践。在那几周里，我们走访了自行车市场、去图书馆寻找相关书籍，上网查阅资料、还请教了物理老师。当然，在这过程中我们也遇到了许多“拦路虎”，但我们并没有因为害怕而退缩，如那次去自行车店铺的师傅，因他十分忙碌，所以我们就在烈日下足足晒了一个下午，但最终还是顺利进行了采访。 在这次十分有意义的研究性学习活动中，我们小组的所以成员都亲自参与，仔细观察，认真思考，敢于提问，并且努力总结，同时也培养了我们与他人合作的精神，丰富了我们的知识，让我们深刻感受到了通过自己的研究得到研究结果的乐趣。同时，锻炼了我们搜集、整理、分析信息和资料的能力，发现了我们的潜能和价值，增强了自信。对这次通过自己努力取得的结果，我们感到十分的满意，也乐在其中。我们都期待以后还有更多的利用集体的力量解决和研究更多有趣问题的机会。最后通过研学，我们认识到物理在生活中的重要意义。 当然，在这次综合实践中还有很多不够完善的地方，但是我们想：至少，我们用心，用汗水，用自己的智慧去经历了，感受了，体验了，结果就显得不太重要，过程才是我们所享受的瞬间。我们应经常在生活在实践，在实践中去学习。
两轮车辆行驶稳定性原理分析摘要：两轮车辆，比如自行车，是我们十分熟悉的代步工具。因其结构简单，制造和使用成本相对其他车辆更低，而且使用方便，极大的改善了人们的出行方式。但看似简单的结构却包含极为复杂的原理，至今仍无人能清晰合理地解答“两轮车辆在行驶时，具有良好的稳定行驶能力”的根本原理。关键词：两轮车辆；行驶稳定性；力矩轴1 引言两轮车辆（如自行车）早在17世纪就有使用记载（见图1）。 图1但“两轮车辆（如自行车），为什么能稳定行驶而不倒呢”，这个问题可能在绝大多数人脑子里面出现过。下面我们以自行车为例，来分析研究一下。 2 自行车行驶时能稳定不倒的传统理论原理介绍 首先介绍一下最常见和引用较多的“陀螺效应”原理。所谓陀螺效应，就是旋转着的物体具有像旋转中的陀螺一样的效应。陀螺效应有两个特点：进动性和等轴性。当高速旋转的陀螺遇到外力时，它的轴的方向是不会随着外力的方向发生改变的，而是轴围绕着一个定点进动。大家如果玩过陀螺就会知道，陀螺在地上旋转时轴会不断地扭动，这就是进动。简单来说，陀螺效应就是旋转的物体有保持其旋转方向和旋转轴线的惯性。这个效应的推崇者们认为，自行车行驶时，前后轮都会绕着各自的轴线旋转，具备“陀螺效应”，从而保证了自行车行驶时具有稳定性。其实不然，1970年，一位名叫大卫·琼斯（David . Jones）的英国科学家，通过制造一台消除陀螺效应的自行车，证明了“陀螺效应不是自行车行驶时能稳定不倒的根本原因”。本人用另外一个更加简洁的模型，来进一步验证“陀螺效应不是自行车行驶时能稳定不倒的根本原因”。在如图2所示的模型下，前后轮分别用两根轴支撑起来，但支撑轴与地面不固定，先用外力使前后轮具有较高的旋转速度，并用外部设备使得整个装置平衡，然后去掉外部稳定设备，即使前后轮高速旋转，具有很强的“陀螺效应”，自行车还是会很快倒下。另外，本人还用“履带”模型，简洁明了的证明“陀螺效应不是自行车行驶时能稳定不倒的根本原因”。 图琼斯推翻了“陀螺效应”原理后，提出了一个“前轮尾迹”的概念，他认为由于“前轮尾迹”的存在（见图3），一旦自行车发生倾斜，便会自动产生一个将自行车扶正的偏转角。 图3但是，2011年，《科学》杂志，发表了一篇有关自行车的研究论文，研究者们制作了一种既没有陀螺效应也没有前轮尾迹的自行车模型，试验结果表明，这样的“两无”自行车仍然能够稳定行驶（见图4）。 图4 上述2种最常见的解释“自行车行驶时能稳定不倒”原理，其实都未能从本质上解释说明清楚，但都有其积极意义，比如“前轮尾迹”让前轮具备了一个回正力矩,使得前轮回正性能更好,操纵性更好。 4 探索并构建新的理论模型从本质上分析，自行车能稳定行驶，必须具备两个必要的关键因素：驱动力及稳定的支撑点。驱动力很容易找到，是由人力最终转化为地面对轮胎的摩擦力，从而驱动自行车向前行驶。但稳定的支撑点有几个？在哪里呢？我们看看下图5。 图5很容易找到有A、B两个支撑点，但2个支撑点，无法支撑自行车平衡。所以，我们就看到自行车在静止状态下，必须要加一个支撑点才能稳定。然而，自行车在行驶过程中，没有看到第3个或者更多的支撑点，它仍然可以稳定的行驶，是否存在第3个或者更多无形的支撑点呢？答案是肯定的。客观世界的现象背后必然有其不可违背的规律，本人通过研究分析，提出“力矩矢量轴”，简称“力矩轴”的概念，不仅能解释“自行车行驶时能稳定不倒”，还能客观有效的解释很多其他现象。图6如上图6所示（简化版的自行车支撑示意图），直线行驶中的自行车，在原A、B两个支撑点的基础上，实际上又具备了一根“力矩轴”， “力矩轴”通过自行车质心Z，正是这根“力矩轴”，让行驶中的自行车，具备了良好的稳定性。“力矩轴”是怎么产生的呢？我们先以“自行车在水平路面直线行驶”时来进行分析（见图6，为了简便易懂），自行车两个轮胎的摩擦力f1、f2方向一致，并且与行驶方向一致，且到质心Z点的力臂均为H，自行车驱动力F=f1+f2。因此，F对质心Z点的力矩：M=F*H。力矩作用产生了“力矩轴”。“力矩轴”有其明显的特征，首先“力矩轴”是一个无形的矢量轴，此处用S表示，S值的大小与物体重量m及物体所受外力F成正比，与力臂H成反比，因此推导出经验公式如下：S=λ*m*F/H其中λ为力矩轴系数，与自行车所在地的引力场有关。“力矩轴”方向始终垂直于“受力点、质心Z及驱动力方向所组成的平面”，通过质心Z，并且符合“右手定则”。从图6也可以看出，此状态下“力矩轴”实际上平行于自行车行驶的水平面，相当于在无限远处，有2个支撑点C、D，始终平稳的支撑着质心Z，并且跟着质心Z随时移动，A、B、C、D四个支撑点，确保了行驶中的自行车，具备了良好的稳定性。下面我们再用“自行车在水平路面转弯”时来进行分析： 图7 如上图7所示，转弯时，前后轮所受的摩擦力方向不同。此时，前轮（转向轮）所受摩擦力f2，后轮所受摩擦力f1。支撑点A、质心Z以及摩擦力f1确定了“力矩轴”S1的大小和方向，“力矩轴”S1等同于在无限远处有C1和D1两个支撑点（如图7）；支撑点B、质心Z以及摩擦力f2确定了“力矩轴”S2的大小和方向，“力矩轴”S2等同于在无限远处有C2和D2两个支撑点（如图7）；综上分析，转弯时，自行车相当于有A、B、C1、C2、D1、D2六个支撑点，也是稳定的。但并不是“力矩轴”（或转化为效果等同的支撑点）越多，就越稳定，还跟“力矩轴”数量值大小有关，数值越大则越稳定，反之则越不稳定。同时，因为“力矩轴”S1、S2作为矢量，会最终合成为“力矩轴”S，最终也等同于是4个支撑点。当自行车行驶过程中，遇到外力等因素，比如突然遇到大坑或者碰到大石头，轮胎的摩擦力f1、f2瞬间就减少或者没有了，同时会受到坑或者石头较大的反作用力，原来维持自行车稳定行驶的“力矩轴”瞬间被削弱或者破坏，自行车行驶稳定性就会变差甚至直接倒地。分析到这里，可能有人会问，惯性是不是保持“自行车行驶时能稳定不倒”的原因呢？其实不然。物体（自行车）的惯性，会对自行车的行驶稳定性造成影响，有正面的影响和负面的影响两种。当自行车直线行驶且不需要改变状态时，惯性有保持自行车行驶稳定性的正面效果；但是，当自行车需要改变状态，如转弯时，惯性会破坏自行车的行驶稳定性。我们再来扩展分析一下陀螺旋转的时候，也具有稳定性的原因。图8如图8所示，当陀螺受初始外力矩驱动旋转，状态稳定后，绕着轴A-A'旋转时，其“力矩轴”S与A-A'轴重合, “力矩轴”S一端与地面有一个交点，另外一端等同于在无限远处与其他物体相交，两个交点作为支撑点保持陀螺稳定，因此“力矩轴”S是陀螺能够稳定旋转的根源所在。当再受到外力作用，原“力矩轴”S会发生弯曲变形（类似于普通实物轴变形），如果外力小，“力矩轴”弹性变形后会再次与A-A'轴重合；如果外力大，“力矩轴”会像实物轴一样，塑性变形甚至断裂。 5 新平衡模型及理论应用 为了提高两轮车辆行驶稳定性，我们根据公式：S=λ*m*F/H，可以通过适当加大车辆的重量m；或者是通过适当增加轮胎宽度，改变轮胎花纹，从而增加轮胎与地面的摩擦力F；也可以通过改进车辆结构，降低车辆质心Z的位置，从而缩短力臂。这三种方式可以根据实际情况，任选其一或者随意搭配选择使用，都可以提高两轮车辆行驶稳定性。 “力矩轴”是一根无形的能量轴，同时具有方向性。因为无形的“力矩轴”可提供稳定的支撑作用，并且可以瞬时改变大小和方向，使得两轮车辆在通过性方面，跟其他车辆相比，具有无可比拟的优势。现在大城市，私家轿车拥有量大增，交通拥堵严重。两轮车辆通过改进设计，加装车顶及封闭式前挡玻璃，使其具备遮风挡雨功能，其普及性将会大大提高，从而缓解城市拥堵问题。 鉴于前面的分析，陀螺稳定旋转也遵循“力矩轴”原理，通过扩展分析，我们发现“力矩轴”原理可以在先进的飞行器开发研究上推广使用，可以开发出更具特色的，更加安全和便捷的飞行器。 6 结束语人们对各类现象背后客观规律孜孜不倦的探索，发现和总结成了无数规律，为我们的生产和生活带来了极大的便利。本人通过对“为什么自行车行驶时能稳定不倒”这个历史悠久的课题进行再次研究分析，总结提炼出一个全新的“力矩轴”概念，能有效的解释两轮车辆行驶稳定性的问题，并能推广应用，解释很多其他问题，希望可以给大家的工作提供相关便利。 参考文献：[1]陈治. 大学物理[M].清华大学出版社.2007[2]范钦珊.理论力学[M]. 清华大学出版社. 2014[3]某研究团队.科学[J].科学杂志出版社.2011[4]T·C·马丁.尼古拉·特斯拉的发明、研究及著作[M].欧姆尼出版社.1977
两轮车不倒的原因是：两轮车前轮的中心高度是由自行车的倾斜角与前轮的偏转角的函数。在两轮车倾斜时，前轮会偏转，以使前轮的重心（即前轮的轮心）取最低的位置。之所以能够这样，是和两轮车构造中设计有一个“前轮尾迹”的长度有关。骏斯用计算机计算了前叉点（即过前轮中心水平线与前叉直线部分的延长线的交点）与两轮车的倾斜角和前轮偏转角的关系，称之为“驾驶几何”，有了这个结果，就能够解释两轮车行驶的稳定性问题了。
陀螺... 因为他们是在运动中 才能找到平衡...
自行车是我们日常生活中一种普遍的交通工具，常见的有普通载重自行车、轻便自行车、山地自行车、童车、赛车、电动自行车等．它结构简单，方便实用。常见的自行车，在其中涉及到很多物理知识，包括杠杆、轮轴、摩擦、压强、能量的转化等力学、热学及光学知识,下面就自行车上的知识来全面介绍一下 一、力学知识 1．摩擦方面 (1)自行车车轮胎、车把套、脚踏板以及刹车块处均刻有一些花纹，增大接触面粗糙程度．增大摩擦力． (2)车轴处经常上一些润滑油，以减小接触面粗糙程度，来减小摩擦力． (3)所有车轴处均有滚珠，变滑动摩擦为滚动摩擦，来减小摩擦，转动方便． (4)刹车时，需要纂紧刹车把，以增大刹车块与车圈之间的压力，从而增大摩擦力， (5)紧蹬自行车前进时，后轮受到的摩擦力方向向前，是自行车前进的动力，前轮受到的摩擦力方向向后，是自行车前进的阻力；自行车靠惯性前进时，前后轮受到的摩擦力方向均向后，这两个力均是自行车前进的阻力． 2．压强方面 (1)一般情况下，充足气的自行车轮胎着地面积大约为S=2×10Cm×5cm=100×cm2，当一普通的成年人骑自行车前进时，自行车对地面的压力大约为F=(500N+150N)=650N，可以计算出自行车对地面的压强为×104Pa． (2)在车轴拧螺母处要加一个垫圈，来增大受力面积，以减小压强． (3)自行车的脚踏板做得扁而平，来增大受力面积，以减小它对脚的压强， (4)自行车的内胎要充够足量的气体，在气体的体积、温度一定时，气体的质量越大，压强越大． (5)自行车的车座做得扁而平，来增大受力面积，以减小它对身体的压强． 3．轮轴方面 (1)自行车的车把相当于一个轮轴，车把相当于轮，前轴为轴，是一个省力杠杆，如图3所示． (2)自行车的脚踏板与中轴也相当于一个轮轴，实质为一个省力杠杆． (3)自行车的飞轮也相当于一个省力的轮轴． 4．杠杆方面 自行车的刹车把相当于一个省力杠杆． 5．惯性方面 (1)当人骑自行车前进时，停止蹬自行车后，自行车仍然向前走，是由于它有惯性． (2)当人骑自行车前进时，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． 6．能量转化方面 (1)当人骑自行车下坡时，速度越来越快，是由于下坡时人和自行车的重力势能转化为人和自行车的动能． (2)当人骑自行车上坡之前要紧蹬几下，目的是增大速度，来增大人和自行车的动能，这样上坡时动能转化为重力势能，能上得更高一些． (3)自行车的车梯上挂有一个弹簧，在它弹起时，弹簧的弹性势能转化为动能，车梯自动弹起． 7．声学方面 (1)自行车的金属车钤发声是由于铃盖在不停的振动，而汽笛发声是由于汽笛内的气体不断的振动而引起的． 8．齿轮传动方面 (1)线速度和角速度的关系，如图5所示，设齿轮边缘的线速度为v ，齿轮的半径为R，齿轮转动的角速度为ω，则有v = ωR． 二、热学知识 在夏天自行车轮胎内的气体不能充得太足，是为了防止自行车爆胎，因为对于质量、体积一定的气体，当温度越高，压强越大，当压强达到一定程度时，若超过了轮胎的承受能力，就会发生爆胎的情况． 三、光学知识 在日常生活中，自行车的后面都装有一个反光镜，它的设计很巧妙，组成如图6所示，它是由三个相互垂直的平面镜组成一个立体直角，用其内表面作为反射面，这叫角反射器．当有光线从任意角度射向尾灯时，它都能把光“反向射回”，当光线射向反光镜时，会使后面的人很容易看到．在夜间，当汽车灯光照到它前方的自行车尾灯上，无论入射方向如何，反射光都能反射到汽车上，其光强远大于一般的漫反射光，就如发光的红灯，足以让汽车的司机观察到． 四、电学方面 在有些自行车上装有小型的发电装置，它利用摩擦转动，就像我们在实验室中看到的手摇发电机一样，发出的电能供给车灯工作，起到一定的照明作用．
自行车的前轴、中轴、后轴a、中轴上的脚蹬和花盘齿轮：组成省力轮轴（脚蹬半径大于花盘齿轮半径）。b、自行车手把与前叉轴：组成省力轮轴（手把转动的半径大于前叉轴的半径）。c、后轴上的齿轮和后轮：组成费力轮轴（齿轮半径小于后轮半径）。
自行车在我国是很普及的代步和运载工具。在它的“身上”运用了许多力学知识， 1．测量中的应用 在测量跑道的长度时，可运用自行车。如普通车轮的直径为米或米。那么转过一圈长度为直径乘圆周率π，即约米或米，然后，让车沿着跑道滚动，记下滚过的圈数n，则跑道长为n×米或n×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。 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。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，故车可迅速停驶。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，利用它的缓冲作用以减小震动。 3．压强知识的应用 (1)自行车车胎上刻有载重量。如车载过重，则车胎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．简单机械知识的应用 自行车制动系统中的车闸把与连杆是一个省力杠杆，可增大对刹车皮的拉力。自行车为了省力或省距离，还使用了轮轴：脚蹬板与链轮牙盘；后轮与飞轮及龙头与转轴等。 5．功、机械能的知识运用 (1)根据功的原理：省力必定费距离。因此人们在上坡时，常骑“S形”路线就是这个道理。 (2)动能和重力势能的相互转化。 如骑车上坡前，人们往往要加紧蹬几下，就容易上去些，这里是动能转化为势能。而骑车下坡，不用蹬，车速也越来越快，此为势能转化为动能。 6．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。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。 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！ (一)运动和力的应用 自行车的外胎,车把手塑料套,踏板套,闸把套等处均有凹凸不平的花纹以增大摩擦.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. 车的前轴,中轴及后轴均采用滚动轴承以减小摩擦,在这些部件上,人们常常加润滑油进一步减小摩擦. 1.增大和减小摩擦 自行车上的力学知识 车的座垫下安有粗的螺旋状的弹簧,利用它的缓冲作用以减小震动. 2.弹簧的减震作用 自行车上的力学知识 (二)压强知识的应用 自行车的车胎上刻有载重量,明确告诉人们:不能超载,如车载过量,车胎受力面积不变,则车胎受到太大的压强将被压破. 1.自行车负重 2.车座上的物理 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,使人骑车时感到较舒适. 自行车上的力学知识 (三)简单机械知识的应用 自行车制动系统中的车闸把与连杆是一个省力杠杆,可增大刹车皮的拉力.另外,链轮牙盘与脚蹬,后轮与飞轮,车龙头与转轴等都是轮轴,利用它们可以省力. 自行车上的力学知识 (四)功和能的知识运用 1,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. 自行车上的力学知识 (四)功和能的知识运用 2,动能和势能的相互转化 骑自行车上坡前,人们往往要加紧蹬几下,使车的速度(动能)增大,"动能冲坡",以较大的动能转化为较大势能,能够较容易到达坡顶.而骑车下坡时,不用脚蹬,车速也越来越快,这是势能转化为动能,动能不断增大,所以车速也不断增大 自行车上的力学知识 (五)刹车和惯性 自行车高速行驶特别是下坡时,不能单独用前闸刹车,否则会出现翻车事故,其原因是:前闸刹车,前轮被迫静止,而作为驱动轮的后轮车架和骑车人由于惯性还要保持原有的高速运动的趋势,这时就会以前轮与地面接触处为支点,向前翻转,造成翻车事故. 自行车上的力学知识 (六)测量中的应用 在测量道路的长度时,可运用自行车.如24型车轮直径为米,26型车轮直径为米,车轮转过一圈长度为直径乘以圆周率π,得米或米,然后,让车沿跑道滚动,记下滚过的圈数n,则跑道长n×米或n×米. 自行车上的力学知识 (七)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,更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. 自行车上的力学知识 (八)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.
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自行车里的数学 “自行车”，青少年必不可少的交通工具，当然，我也不例外。在闲空的假期，我经常约上同伴骑车到某地游玩，可我总是落在他们后面，这是怎么回事？难道是我力气小，骑不快？不可能！有一个小我两岁的女孩儿力比我小，却总冲在首位。难道她深藏不露？ 几经我周密的观察，终于发现了其中的奥秘。原来她的车轱辘比我的更大，并且可以变速。既然是这样，那如果我的车蹬一圈走的长度和她的车蹬一圈走的长度相差多少呢？我的自行车直径：66厘米，前齿轮齿数：26个，后齿轮齿数：16个，用66**48/24=(cm)。而她的自行车牙盘齿数（大齿轮齿数）：大盘44、中盘32、小盘22 飞轮齿数（小齿轮齿数）：小飞轮11、八飞轮12、七飞轮14、六飞轮16、五飞轮18、四飞轮21、三飞轮24、二飞轮28、大飞轮32，（外胎周长：206厘米），大盘带小飞，踏板转一圈后轮转四圈，前行距离是824厘米（计算方法是：44/11*206=824）、、、、、、小盘带小飞，踏板转一圈后轮转两圈，前行距离是412cm（计算方法是：22/11*206=412），小盘带大飞，踏板转一圈后轮转圈，前行距离是 （计算方法是：22/32*206=）。另外，我还发现她的变速自行车还能利用“转动比”（即牙盘齿数与飞轮齿数的比），在相同的蹬踏频率下传动比越大骑行速度越快，但是也越费力，适合平地冲刺；同样的道理，传动比越小速度越慢，但是也越省力，适合爬坡。 在这次观察发现中，不起眼的自行车里原来也蕴含着数学：因为牙盘转的圈数与车轮转的圈数相同，而牙盘的齿数和飞轮的齿数是成比例的，牙盘的齿数是飞轮齿数的N倍，那么牙盘旋转一圈飞轮就旋转N圈； 所以牙盘转的圈数与牙盘齿数的积等于飞轮转动的圈数与飞轮的齿数的积。
不用电，环保的，老少皆宜。
一、问题的提出:自行车发明至今已有200多年的历史.今天,它作为交通代步、锻炼身体、越野旅游、运动比赛以及运送货物(小型)已遍及到世界的每一个角落.它廉价、轻便的特点受到许多人的青睐,进而人们对它的要求也就越来越高.首先,安全性排首位.据相关调查表明,每年因自行车而引起的车祸正以惊人速度增长,所以要如何提高它的安全性是个问题;其次,自行车要如何更加轻便、高效、快速、造价更低廉,这些便成了人们关心自行车的话题.我们课题组主要通过各种方式的调查和研究,了解市场上的自行车,使人们对它有个了解.通过研究自行车中的力学、查阅资料、进行实验,目的就在于探索自行车的构造,以及工作原理,从而对自行车能否改变得更合乎人们的要求这话题找到理论依据. 二、研究目标弄清自行车的构造;探索自行车的杠杆轮轴、摩擦力、气压知识;研究自行车在行驶中为何不会跌倒;分析如何减小有害摩擦力和如何增大有益摩擦. 三、研究的方法1、研究对象:市场上的自行车2、研究方向a、杠杆轮轴:包括车把上的闸把、脚蹬、花盘、手把、前叉轴、后轮上的齿轮;b、气压:包括内胎、气门芯;c、摩擦力:包括车轮与地面的、刹车块与车轮之间的、轮轴中的;d、自行车在行驶中为何不会跌倒.3、研究步骤:a、分析研究课题b、实地考查、收集资料c、进行实验d、组员讨论、得出结论、提出设想四、研究的结果与分析〈一〉具体的自行车部件：1、车架部件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。 车架部件的结构形式有很多，但总体可以分为两大类：即男式车架和女式车架。 车架一般采用普通碳素铜管经过焊接、组合而成。为了减轻管重量，提高强度，较高档的自行车采用低合金钢管制造。为了减少快速行驶的阻力，有的自行车还采用流线型的钢管。 由于自行车是依靠人体自身的驱动力和骑车技能而行驶的，车架便成为承受自行车在行驶中所产生的冲击载荷以及能否舒适、安全地运载人体的重要结构体，车架部件制造精度的优劣，将直接影响乘骑的安全、平稳、和轻快。一般辐条是等径的，为了减轻重力，也有制成两端大、中间小的变径辐条，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。 外胎上的花纹是为了增加与地面的摩擦力。山地自行车的外胎宽度特别宽，花纹较深也是适应越野山地用。3、脚蹬、脚踏脚蹬部件：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。因此脚蹬部件的结构和规格是否合适，将直接影响骑车人的放脚位置是否合适，自行D：加速阻力：只是在加速时产生的。 脚踏：可分为整体式脚踏和组合式脚踏。无论什么款式的脚踏都必须有脚踏面，必须安全可靠，具有一定的防滑性能，可以选用橡胶、塑料或金属材料制造。脚踏必须转动灵活。 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，起到了自行车的导向作用。此外，还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，故前叉部件必须具有足够的强度等性质.5、链条、链轮：链条：链条又称车链、滚子链，安装在连轮和飞轮上。其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：用高强度钢材制成，保证其达到需要的拉力。6、飞轮飞轮以内螺纹旋拧固定在后轴的右端，与链轮保持同一平面，并通过链条与链轮相连接，构成自行车的驱动系统。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。 工作原理：当向前踏动脚踏是，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，自行车就前进了。当停止踏动脚踏板时，链条和外套都不旋转，但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，由此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，发出“嗒嗒”的声音。当反向踏动脚踏时，外套反向转动，会加速千斤的滑动，使“嗒嗒”声响得更急促。多级飞轮是自行车变速装置中的一个重要部件。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。 7、车闸车闸：是保证骑乘者安全的结构，按制动点的位置来分，可以分为轮缘闸和轴闸两大类，最常见的是轮缘闸。 轮缘闸是一种通过机械杠杆、推杆、拉杆或钢丝绳等直接将高摩擦因素的闸皮压向车圈边缘后轮胎，将转动中的车轮刹停的装置。 轮缘闸结构简单，维修保养方便，因此被广泛使用。但是，如果接触车圈轮缘不正，或雨水淋湿的影响，会降低摩擦，从而影响制动的效果。常见的有： 普通闸： 优点为接触面合理，制动力矩大，制动灵敏，刹车性能可靠，结构简单和安装修理方便。 钳形闸：当刹车时，其左右闸叉和闸皮就像钳子一样，紧紧地钳住车圈的两个端边，达到使车减速或停的目的。优点是刹车时力臂大，制动效果好，传动零件少，调节和维修方便，重力轻，外形美观。悬臂闸： 优点为悬臂闸刹车时的力矩比钳形闸更大，制动性能好，结构简单，重力轻，调节和维修方便。 前触闸：前触闸是靠杠杆原理制动的。当手握紧闸把时，闸把的另一头将接头、拉杆、拉管向下压，使闸皮向下压至与轮胎接触，产生摩擦制动力。其缺点是刹车效果与轮胎充气程度有关。充气不足时，会使摩擦力减小，影响刹车效果。 脚闸： 优点为由于刹车是用脚力的，所以在脚闸上产生的正压力越大，刹车效果越好。闸的优点：刹车的制动点不在轮缘上，不会损坏车圈的电镀层。8、鞍座鞍座的长度、宽度的鞍梁的结构是以车型和乘骑者的性别、习惯来确定。鞍座的结构设计应充分考虑乘骑者舒适。它依靠鞍管与车架作钢性连接，用来承受人体的重量。具体来说： 鞍座面：是人体体重的支撑面，具有良好的强度和弹性，它由鞍座面皮和垫皮组成。 鞍座架：又称鞍梁，是鞍座的主体，其结构比较复杂，一般由前后撑板，左右鞍撑，上下梁组成，并连接和支撑鞍面。 鞍座簧：实质上是鞍座架的一部分。它支撑着鞍座架和鞍座面，起着缓冲和减震的作用。鞍座簧的形式有立簧、卧簧和拉簧等几种。 鞍座夹：又称鞍座卡，是由夹紧螺钉，座夹和夹板等组成，用来将鞍座固定在鞍簧上。 <二>杠杆、轮轴知识1、自行车上的杠杆:a、控制前轮转向的杠杆:自行车的车把,是省力杠杆,人们用自行车的前轮来控制自行车的运动方向和自行车的平衡.b、控制刹车闸的杠杆:车把上的闸把,是省力杠杆,人们用很小的压力压到车轮的钢圈上.2、自行车的轮轴: a、中轴上的脚蹬和花盘齿轮:组成省力轮轴(脚蹬半径大于花盘).b、自行车手把与前叉轴:组成省力轮轴(手把转动的半径大于前轮).c、后轴上的齿轮与后轮:组成费力轮轴(齿轮半径小于后轮半径). <三> 自行车上的气压知识a、自行车内胎充气:早期的各种轮子都是木轮、铁轮,颠簸不已.气内胎主要是使胎内的压强增大,可以起到缓冲的作用,同时可以减力.b、气门芯的作用:充气内胎上的气门芯起着单向阀门的作用,方便进气,保证充气内胎的密封.C、应用：(1)自行车车胎上刻有载重量。如车载过重，则车胎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。 <四〉摩檫力的知识 摩擦力就是接触阻碍或帮助物体运动的力,它的大小和接触面的粗糙程度、压力的大小有关.在压力相同的情况下,摩擦阻力越小,小车滑得更远,但并不是摩擦力越小越好,当摩擦力小到没有的时候,可以想自行车在光滑没有摩擦力的情况下,轮子会原地打转而不会向前.故自行车外胎的表面是凹凸不平的花纹就是为了增大摩擦力的.如果轮胎表面越粗糙,摩擦力越大,行驶过程中越安全.摩擦力不仅对自行车的启动很重要,而且对自行车的制动也很关键.当它在链条驱动下,后轮逆时针转动时,轮胎与地面接触处于对地面有向后运动的趋势,所以地面对后轮胎施加向前的力,成为自行车向前运动的力.在此力的作用下,自行车整体具有向前运动的趋势,而地面对前轮产生向后的摩擦力便沿着后轮胎相同的方向转动起来,使得自行车向前运动.当自行车刹车时,人捏刹车柄,使刹车线带动刹车块与轮胎靠紧,产生摩擦力使自行车减速,最终停下来.自行车上增大摩擦的方法:1、增加接触面积与粗糙程度来增大摩擦;2、用加压的方法来增大摩擦.自行车上减小摩擦的方法:1、利用滚动摩擦代替滑动摩擦;2、给某些部件加润滑剂,如:在轴中经常上油。自行车在行驶时为何不会跌倒,说明了一个科学道理:任何物体绕自身高速转动起来,由于转动的惯性,会保持转动轴线的方向不变,而且旋转得越快,保持旋转方向不变的能力也越强.自行车的前轮和后轮在行驶时,就是两个迅速转动的物体,也有保持转动轴方向不变的人力,这个能力就使自行车不会倒下.另外,当车要倒下时,人会本能地调正车轮方向保持平衡。自行车的这些力学原理在生活中应用很广泛,我们不仅要巧用它们,还要善用它们.近几年来，人们又研究出了一些提高自行车稳定性的部件，例如：避震前叉：车胎充足气后，车轮与道路的接触面积小，摩擦阻力相应减小，使得行驶较轻松。但是，一旦遇上高低不平的道路，就会颠簸不稳，特别是前叉震动更加厉害。采用避震前叉可以起到以下一些作用：将车架和前轮弹性的连接在一起，可吸收并缓解因路面不平而传递给车架的冲击和震动，保持乘骑舒适和平稳。由于减震装置具有缓冲作用，可以避免某些零件因过分震动而损坏。减震装置能传递垂直力，驱动力，侧向力以及相应产生的力矩，确保骑行舒畅。
武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 摘 要 随着居民生活水平的不断提高，自行车不再仅仅是普通的运输、代步的工具，而是成为人们娱乐、休闲、锻炼的首选。自行车测速仪能够满足人们最基本的需求，让人们能清楚地知道当前的速度、里程、时间、温度等物理量。本论文主要阐述一种基于霍尔元件的自行车测速仪的设计。 本文以STC89C54RD+单片机为核心，霍尔传感器测转数，实现对自行车里程、速度、时间、温度的测量统计，能将自行车的里程及速度用LCD实时显示。文章详细介绍了自行车测速仪的硬件电路和软件设计。硬件部分利用霍尔元件将自行车每转一圈的脉冲数传入单片机系统，然后单片机系统将信号经过处理送LCD显示。软件部分用C语言进行编程，采用模块化设计思想。该系统硬件电路简单，子程序具有通用性，已达到设计目标。