張鑫蕾
摘要:阿基米德有這樣一句流傳很久的名言:“給我一個支點,我就能撬起整個地球!”,這句話便是說杠桿原理。省力是機械制造中的重要指標之一,杠桿原理在其中的運用達到了極致。在我們的生活中,杠桿與輪軸原理無處不在,蹺蹺板,指甲鉗、剪刀等等。它們有著省力,費力和平衡之分。通過觀察分析自行車,簡要論述自行車的杠桿原理。
關鍵詞:自行車;杠桿;省力;費力
自行車,又稱腳踏車或單車,通常是二輪的小型陸上車輛。人騎上車后,以腳踩踏板為動力,是綠色環(huán)保的交通工具。自行車種類很多,有單人自行車,雙人自行車還有多人自行車。自行車的車架、輪胎、腳踏、剎車、鏈條等25個部件中,其基本部件缺一不可。其中,車架是自行車的骨架,它所承受的人和貨物的重量最大。按照各部件的工作特點,大致可將其分為導向系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、制動系統(tǒng):
1.導向系統(tǒng):由車把、前叉、前軸、前輪等部件組成。乘騎者可以通過操縱車把來改變行駛方向并保持車身平衡。
2.驅動(傳動或行走)系統(tǒng):由腳蹬、中軸、牙盤、曲柄、鏈條、飛輪、后軸、后輪等部件組成。人的腳的蹬力是靠腳蹬通過曲柄,鏈輪、鏈條、飛輪、后軸等部件傳動的,從而使自行車不斷前進。
3.制動系統(tǒng):它由車閘部件組成、乘騎者可以隨時操縱車閘,使行駛的自行車減速、停駛,確保行車安全。
而自行車車運用的杠桿原理,以下作具體說明。
一、杠桿原理
杠桿是一種簡單機械。在力的作用下能繞著固定點轉動的硬棒就是杠桿。在生活中根據(jù)需要,杠桿可以是任意形狀。蹺蹺板、剪刀、扳子、撬棒、釣魚竿等,都是杠桿。滑輪是一種變形的杠桿,定滑輪的實質是等臂杠桿,動滑輪的實質是阻力臂是動力臂一半的省力杠桿。
杠桿五要素
支點:杠桿繞著轉動的點,通常用字母O來表示。
動力:使杠桿轉動的力,通常用F1來表示。
阻力:阻礙杠桿轉動的力,通常用F2來表示。
動力臂:從支點到動力作用線的距離,通常用L1表示。
阻力臂:從支點到阻力作用線的距離,通常用L2表示。
(注:動力作用線、阻力作用線、動力臂、阻力臂皆用虛線表示。力臂的下角標隨著力的下角標而改變。例:動力為F3,則動力臂為L3;阻力為F5,阻力臂為L5.)
二、自行車車把、剎車握柄、踏腳的杠桿原理
自行車的車把,是控制前輪轉向的等臂杠桿,支點就是連著把手中間那根軸,力臂是手握的著力點和支點之間的垂直距離,人們用很小的力就能轉動自行車前輪,來控制自行車的運動方向和自行車的平衡。
仔細觀察自行車中的控制剎車閘的握柄的形狀,一端是手抓的長柄另一端連著鋼絲,拉動鋼絲所需要的阻力就是剎車的阻力,整個把手像一個蹺蹺板一樣固定在車把上,而鋼絲一端顯然比把手那邊短,阻力臂小于用力臂,這就形成了省力杠桿,人們用很小的力就能使車閘以較大的壓力壓到車輪的鋼圈上。
三、自行車腳踏與輪盤、后輪與小齒輪的杠桿原理
自行車的前軸,即自行車手把與前叉軸,組成省力輪軸,因為手把轉動的半徑大于前叉軸的半徑。自行車的中軸,即自行車的踏腳與大齒輪,也用到了杠桿原理,腳蹬半徑大于大齒輪半徑。以飛輪的輪軸為支點,用較長的鐵桿來轉動鏈條上的飛輪。當動力作用于輪上是,大齒輪轉動,輪與軸之間連續(xù)旋轉,它們之間構成了省力輪軸,便于人們輕便騎車。踏腳飛輪上用到了齒輪,以防止鏈條打滑。
自行車的后軸,即自行車后輪與小齒輪,也用到了輪軸原理。因為齒輪半徑小于后輪半徑,當動力作用于軸上時,形成了費力輪軸。
腳蹬是輪軸,但同時輪軸也用了杠桿的原理,腳踏板是動力,鏈條是阻力,支點是中間圓盤的軸。自行車由許多的簡單機械構成:執(zhí)行部分的車把,控制部分中的車閘把,后閘部件中的前曲拐,后曲拐及支架,貨架上的彈簧夾,車鈴的按鈕等部件都屬于杠桿。傳動部分中的腳蹬、鏈條,后輪外圈的車胎是阻力,自行車鏈條是動力,車輪軸是支點。
四、結語
自行車的骨干就是車架,車架支撐了自行車所有的重量。自行車車架要和別的零件組合起來會有交點,而有些交點就成為了杠桿的支點。所以一輛自行車上會有很多個運用到杠桿原理與輪軸原理的地方,所以我們可以很輕松的把自行車騎起來。
參考文獻:
[1]陳向明.自行車造型設計中的人性化體現(xiàn)[D].長春:吉林大學,2011(04).
[2]李倩.自行車設計中人性化的分析研究[J].當代教育實踐與教學研究,2016,25.