有关自行车的力学、机械学和社会学，本文主要内容关键词为：机械学论文,力学论文,社会学论文,自行车论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在我国，自行车是使用最广泛的交通工具.以它作为探究性学习的对象，是每一个学校、每一个学生都能做到的.自行车的结构和工作原理涉及到许多力学和机械学知识，自行车的发展和应用也涉及到社会学问题.这些问题有易有难，有侧重于原理的，有侧重于技术和应用的，有关系到环境保护的等等.我市有一些老师在初中和高中曾就这一课题组织了探究性学习，将学生分为若干小组，由他们自己提出不同的子课题，在课外用多种手段进行研究，然后到课上汇报、交流.初中生可以观察和剖析一些实际的装置，认识物理规律在实际中的应用.高中生则会希望并且能够得到更深入的理解和更广泛的认识.本文将对其中一些问题和探究的方法进行讨论.
1 自行车上使用了哪些简单机械?各起什么作用?
这适于初中生研究.可以从刹车系统和传动系统上去找，例如刹车手柄、脚踏的曲柄和轮盘(挂链条的大齿轮)等等.它们大多数是杠杆，也有的是轮轴.
应当要求学生画出每一种简单机械的实际形状，并且注明支点(转动轴)、动力、阻力、动力臂、阻力臂等.例如图1为山地车的刹车装置，小杠杆A能绕固定在车叉上的轴O转动，刹车时钢丝B拉动杠杆上端，就使闸皮C压紧在车轮的钢圈D上.图中OP为动力臂L[,1]，OQ为阻力臂L[,2]，L[,1]＞L[,2]，是省力杠杆.又如后文图2中的杠杆是等臂的，用来改变力的方向.
2 普通自行车是由哪些主要部件组装成的?它们各起了什么作用?
这能使学生从总体上剖析和认识一台完整的机器一自行车，适于初中生研究.主要方法是访问销售和维修自行车的人员，向他们请教.然后整理出文字和图片，分为几个部分(如构架、乘坐、动力、传动、行驶、导向、制动、信号、防盗、装饰、内胎上气门的构造和充气应当达到的压强等)说明.
网上有苏州市第三中学学生的论文，可供参考.
3 车上的齿轮和链条起了什么作用?变速车是怎样变速的?什么情况下需要变速?
这适于初中生研究.被脚蹬带动的大齿轮、后轮上的小齿轮和链条组成了传动机构，把运动和人蹬车的能量传递给后轮.
先要求学生测算:脚蹬1圈能使后轮转多少圈?当看明白大齿轮(主动轮)转过1个齿时链条必定带动小齿轮(从动轮)也转过1个齿，就会想到依据两轮的齿数来计算.例如某辆“28英寸”自行车的大齿轮有48齿，小齿轮有20齿，则大齿轮转1圈会使小齿轮转48/20=2.4圈.还应当用另一种方法，把车的后轮架空，实际转起来数圈数，与计算法得到的结果对比验证.
再从技术资料上查出:主动轮与从动轮转速之比叫做传动比，它取决于两轮齿数之比.普通车的传动比是定值，变速车则能改变，容易看到的一种结构是在后轮上并列安装4～6个齿数不同的小齿轮，是链条分别与不同的小齿轮啮合，就得到了不同的传动比.无风的天气行驶在平路上，将链条挂在最小的齿轮上，可以得到最快的速度；顶风或上坡时，将链条挂在较大的齿轮上，则能够省力，这是以牺牲速度为代价获得的.应当要求学生依据功的原理对此做出解释.
再去观察人力的货运三轮车，看它使用什么方法改变传动比.
4 骑车人能够自己估测行驶的里程和速度吗?
领会了问题2之后，学生不难想到:一般情况下车轮与地面间不打滑，转一圈行驶的距离就等于车轮的周长，在连续蹬车的条件下，可以依据蹬的圈数、传动比和后轮的直径估算行驶的里程，再同时用手表计时，就可以得到速度.需要事前用尺测量车轮的直径，或者依据车的规格计算，例如“28英寸”自行车的车轮直径为28英寸，它等于28×2.54cm=71cm.
利用郊游的机会去实际测一测，学生是很有兴趣的.
5 自行车在哪些构件上采取了增加或减小摩擦的措施?各是依据什么原理?
这个问题比较直观.增加摩擦的事例有:怎样防止车轮在地面上打滑、鞋在脚踏板上打滑等.减小摩擦的事例有:采用滚动轴承和加注润滑油脂等.应当注意，目前对于摩擦力的本质还在做进一步的研究，课本上的摩擦力公式是在一定条件下的近似的经验公式.这个问题在初中只能做粗浅的研究，高中再深入.下面讨论两个问题:
(1)刹车装置
普通车闸是利用闸皮与车圈之间的滑动摩擦力来刹车的.因为摩擦的大小与物体的材料有关(严格地讲是摩擦因数与相互摩擦的这一对物体的材料有关)，为了增大摩擦，所以选用橡胶制作的闸皮与钢制的车圈去摩擦.
还应当提醒学生注意到摩擦必定造成磨损，但是不同的材料耐磨损的程度不同.看一看闸皮和车圈哪个磨损严重?有些闸皮在橡胶中加入了尼龙纤维能起什么作用?在什么情况下需要更换用旧了的闸皮?
用力捏闸能够使车更快地刹住，因为正压力越大时摩擦力越大.正压力是一种弹力，高中生应当依据“弹力的大小与物体的形变程度有关”进一步理解到，用力捏闸时被手柄拉动的钢丝和被钢丝拉动而压到车圈上的闸皮都要比轻捏时发生更大的形变.
有的学生观察了抱闸，其结构如图2所示.A是小杠杆，能以O为轴转动，D是装在后车轮上的钢制圆形刹车鼓(抱闸盘)，C是橡胶制的圆弧形刹车带(抱闸皮)，其一端固定在E，另一端F连接在杠杆上.刹车时，拉杆B拉动杠杆，则杠杆拉动刹车带使它抱紧刹车鼓，靠两者间的摩擦力制动.他们认为，由于刹车带大约包住了刹车鼓圆周的3/4，接触面积比普通的闸皮块大得多，所以摩擦力也大得多.但是另一些学生对此提出质疑:依据公式f=μN，摩擦力与接触面积无关呀!通过研讨和查资料了解到:通常的刚性物体间接触时，由于表面不平整，实际接触的部分远小于表观的接触面积，而实际接触的面积是受正压力影响的，所以一般情况下摩擦力与表观的接触面积无关.抱闸与上述情况不同，它是柔性物体(刹车带)与圆柱面接触，通过实验发现，柔性物体对圆柱的包角(所包围圆弧的圆心角)越大，摩擦力也越大.机器上的传动皮带要尽量增大与皮带轮的包角，栓马的绳子要在桩上多绕几圈，都是这个道理.
学生可能联想到其它交通工具的刹车装置.可以去看一看火车的刹车，会发现它不用橡胶材料去与车轮摩擦，让他们对此做出解释.
(2)轴承和润滑
初中生可以从对比性的实验认识到用滚动代替滑动能够明显地减小摩擦阻力.高中生则能够从滚动物与接触物的形变产生阻碍滚动的力矩，在其它条件相同时，克服上述力矩使物体运动需要的力比克服滑动摩擦力所需要的力小得多.
要通过观察(例如拆开前轮轴和脚踏板轴)了解到哪些地方使用了滚珠轴承，看到这些滚珠是借助保持架(俗称花篮)均匀分布在轴承中的，并且填入粘稠的润滑脂(俗称黄油)做润滑，因为这些轴承要长时间转动又承受很大的压力.再看哪些部件上装有小轴，想一想这些部位为什么采用滑动的方式，并且只用稀的机油润滑.
6 分析自行车行驶时前、后轮的受力情况
这适于高中生研究，是一个提高性的问题，分析的对象是有一定形状的固体而不能看做质点.
宜从简单的情况入手，即圆形物体依靠惯性在水平地面上滚动，如图3所示，地面和物体接触的部分都要发生微小的形变，图中将它夸大了.惯性使物体有整体向前平动的趋势，因此物体的下边将受到静摩探为f,它对于质心c产生力矩M[,1]使物体转动从而向前滚动.滚动导致物体和地面接触部前方的形变较大，使支持力N前移，N对于质心c产生力矩M[,2]对转动起阻碍作用.
人蹬车行驶时前、后轮的受力情况如图4所示.前轮是被动轮，受到前轴的推力f[,1]，所以地面对它的静摩擦力，f[,1]方向是向后的.后轮是主动轮，链条对后轮上小齿轮的作用力f[,2]使后轮转动，其下部对地面有向后运动的趋势，所以地面对它的静摩擦力f[,2]方向是向前的，f[,2]就是车受到的驱动力.当人不蹬踏而靠惯性前进时，后轮受力的情况就变得与前轮相同.
7 骑车时驱动自行车的功率有多大?
这适于高中生研究.学生设计了一种粗略测定的方案，综合运用了运动学和动力学的知识，简单易行.在平直的道路上相距约10m的A、B两处设立标志，一位同学骑车自较远处驶来，在AB这段路程中尽量保持匀速骑行，到达B处停止蹬踏，此后靠惯性前进，直到停止在C处.测量AB段的距离S[,1]和这段的行驶时间t[,1]，算出行驶速度v.再测量BC段的距离S[,2]或行驶时间t[,2]，近似认为这段做的是匀减速运动，从而算出其加速度α.称出人和车总质量m，依据f=ma算出在BC段运动时人和车总体受的阻力(各种阻力之和)f.近似认为在AB段受的阻力大小与BC段相同，则可以认为在AB段的驱动力F的大小等于f.于是可以算出AB段骑车时驱动自行车的功率N:N=FV.实际上人和车受的阻力是与速度大小和人的身体姿势有关系的，所以测量时速度要小些，并且要保持姿势不变.即使如此，得到的结果也是粗略的.
需要注意，人蹬车做功的功率要大于上面测出的数值，其中原因之一是传动过程中有能量损失.目前使用的电动自行车在行驶时消耗的电功率一般约为200W左右，由于电动机和传动系统的效率都不太高，所以实际驱动的功率要减小不少.
8 了解自行车的发展史，讨论有关自行车的社会学问题.
这适于对人文科学感兴趣的学生，高中、初中都可以.主要的探究方法是做社会调查和收集资料(包括上网).
自行车的发展状况大致如下:最早的自行车发明于1818年，为木制、两轮、有车把控制前轮，用脚蹬地行驶.1861年在前轮上安装了曲柄和脚踏板(类似现在的儿童车).1874年采用了链传动、有辐条的车轮和实心橡胶轮胎，已具备现代自行车的雏形.1888年则趋于完成，采用了充气轮胎、滚动轴承并增加了刹车.1925年以后，自行车工业形成规模，英国是主要的生产国.第二次世界大战后，欧美的汽车工业高速发展，成为主要的交通工具.到了70年代由于能源危机，又引发了自行车热.我国在解放后，自行车一直是城乡人民短途交通的主要工具，是世界上生产和使用自行车最多的国家.
作为交通工具，自行车有其独特的优点:不消耗自然能源，不排出废气，噪声小，有利于环境保护，可以在狭窄的道路上通行等等.但是过于密集的自行车和骑车人的法规意识不强，也给交通管理带来严重的问题.
当代自行车正继续向着多品种、多用途的方向发展.例如休闲、健身用的山地车，体育竞赛用车，使用清洁能源和节省体力的电动助力车，表演和娱乐用的独轮车等.新材料和新技术也得到应用，如为了减轻自重，采用铝合金管代替钢管作车架，场地赛车使用高强度、轻质碳素纤维制成的平板形车轮，在电动助力车上用镍氢电池代替铅酸电池等.