自行车前后轮的摩擦力大小(自行车两个轮子受到的摩擦力方向相反)

资讯 | 2022-12-31| 2

提到摩擦力,人们往往第一印象就是阻碍物体运动的力,可事实上真的如此吗?其实生活中摩擦力就和细菌一样,有些恼人的细菌会导致人体发生各种疾病,但同时很多细菌像双歧杆菌等恰是人体离开不了的。摩擦力也是,有很多摩擦力确实是导致机械磨损和故障的原因,但与此同时,人类离开摩擦力可以说什么都做不了,甚至走路都走不了。好了,话不多说,聊聊今天的主角:摩擦力。

关于摩擦力

目前,物理学上对摩擦力的定义是:阻碍物体相对运动(或相对运动趋势)的力叫做摩擦力

根据物体和接触面的运动情况可以简单分为:滑动摩擦力,静摩擦力和滚动摩擦力(实际上滚动摩擦力本质上也是静摩擦力,后面有机会会和大家详细分析)。

自行车前后轮的摩擦力大小(自行车两个轮子受到的摩擦力方向相反)插图

摩擦力

滑动摩擦力

在所有的摩擦力类型中,滑动摩擦力是最常见也最容易理解的。因为存在相对滑动,所以产生摩擦力,摩擦力的方向和相对滑动的方向相反。在下图中,小人推着木箱以速度v在水平面上向右运动,此时地面给木箱一个相反方向的摩擦力f,方向向左,非常值观,好理解。而且这个摩擦力f的大小和箱子的重量成正比,所以越重的箱子越难推动。我们把和摩擦力和正压力的比值称作摩擦因数μ。

自行车前后轮的摩擦力大小(自行车两个轮子受到的摩擦力方向相反)插图1

滑动摩擦力

静摩擦力

还是刚才的这个小人推箱子的模型,如果因为箱子太重,小人推不动而没有和地面发生相对滑动,此时有摩擦力的存在吗?有的,这个时候的摩擦力就是静摩擦力。不要忘记了摩擦力的定义,阻碍相对运动趋势的力也叫摩擦力。如何判断相对运动的趋势呢?办法就是假设接触面没有摩擦力,物体会怎么运动,即是运动的趋势。比如下面这个箱子,如果和地面之间没有摩擦力,那么很容易的会被推向右边运动,那么相对运动趋势就是向右的,所以这个时候受到的静摩擦力f方向就是向左的。

自行车前后轮的摩擦力大小(自行车两个轮子受到的摩擦力方向相反)插图2

静摩擦力

关于自行车模型

车轮所受到的摩擦力类型

简单的了解摩擦力的知识以后,我们来讨论一下自行车车轮受到的摩擦力的情况。首先,车轮所受的摩擦力是哪一种类型呢?

卡罗拉车用汽油加92还是95的卡罗拉车用汽油加92还是95的,说法不一,怎么选择?另外好多人推荐加私油,这个可以么?,。

我们来看,车轮在行驶过程中,车轮边缘上质点转动的线速度和自行车运动的速度大小是相同的,每个质点的相对于地面的运动都是这两种运动的叠加,在与地面的接触点,这两个速度大小相同,方向相反合速度为0,所以是相对于地面静止的。得出来在自行车正常行驶的过程中车轮所受到的摩擦力类型为:静摩擦力。

接触点合速度为0,相对地面静止

摩擦力方向的判断

了解车轮受的摩擦力是静摩擦力之后,我们用到上面提到的方法,分别判断一下前后轮的摩擦力方向。

先分析一下后轮(有动力的时候)

后轮的转动是链条带动飞轮而实现旋转,也就是我们所说的主动轮。我们假设一下如果和后轮相接触的地面是绝对光滑无摩擦,自行车会怎样运动?显然,后轮还是会转动,但是自行车不会移动,也就是我们说的后轮会原地打滑。此时车轮上接触面的质点是向后运动,所以后轮接触点是有向后运动的趋势的,由此我们判断后轮受到的静摩擦力是向前的。

再来分析一下前轮。

前轮是受到车架向前的推力而运动的,也就是所谓从动轮。同样的方法,我们假设和前轮相接触的地面无摩擦,看看会怎样?可能大部分朋友会说,前轮还是和之前一样向前滚动,可事实上,如果前轮接触面无摩擦的话,前轮是向前滑动而不是转动。因为车架给前轮的作用力是过前轮的原点也就是质心的,是不产生力矩的,是不会导致前轮旋转的,所以前轮是会向前滑动。也就是说前轮接触面上的点是有向前运动趋势的,由此我们判断前轮受到的静摩擦力方向是向后的。而正是这个静摩擦力因为不过质点,提供力矩让前轮实现转动。

这就是自行车两个车轮受到摩擦力方向相反的原因了。

如果我们再思考一下,如果是自行车在滑行或者推着自行车走,两个轮子的摩擦力方向是怎样的呢?这时候两个轮子都是从动轮了,和刚才前轮分析结论一致都是向后的,那在推着的时候是什么力抵消这个摩擦力使自行车向前运动呢?就是地面对脚向前的摩擦力啦。

进一步了解摩擦力

刚才我们研究的自行车模型,实际上是非常简单的模型。实际上,我们现在对于摩擦力的研究从未停止过。比如我们经常提到的摩擦力为0的理想界面叫绝对光滑,就是说越光滑的表面摩擦力就越小吗?事实上,两块表面抛的很光滑的金属之间,由于分子充分接触作用力会增大,摩擦力反而会增大。所以关于摩擦力的本质,科学家仍在探究中,尚没有统一的结论。目前是用凹凸啮合说和粘附说这两个理论在不同的条件下适用。

好了,关于摩擦力,就简单聊到这里了。经过不懈努力,现在终于有将近200的关注了,感谢各位朋友的支持!

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