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自行车是省力机械还是费力机械? 第1页

  

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我想要和物理所比获赞数!观众老爷们给点赞

^o^/

跳过中间商,直接看结论

自行车是费力机械。

因为自行车是“脚踩一小圈,车行好几米”。根据能量守恒定律,W=F*s,动力臂运动距离s少了,力量F就要增加。因此是费力机械。

(补充:如果动力臂运动距离s大了,力量F就可以减少,就是省力机械。一些变速自行车调到“爬坡档”,脚踩好几圈才能前进一些,这就是省力机械。但这种档因为提供基础动力需要踩的圈数太多,踩踏时反而不容易控制行车平衡,因此实用性比较差,市场普及率很低)

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在脚踏和牙盘这一段,是属于省力机械。

滑轮组的原理其实就是杠杆原理。上图可见,牙盘的圆心就是杠杆的支点,动力臂长于阻力臂,因此是省力杠杆。

飞轮和轮毂这一段,是属于费力机械。

这个就更直观了。动力臂比阻力臂小这么多,妥妥就是一个费力杠杆!自行车能够“脚踩一小圈,车行好几米”,靠的就是这个设计。


所以从自行车机械原理上看,仍然是属于费力结构。因为动力臂<阻力臂,是用大力量小路程,换小力量大路程。所以自行车作为载具最大的作用,还是增加人类的跑图速度!

•͈ᴗ•͈ ♡

但为什么骑自行车多数还是会让人感觉省力呢?

本质上讲,省力的并不是车架的机械结构,而是在于“”!

所谓省力的对比对象,也是“步行”与“骑行”的对比。

而且最最最最关键的判断点并不是在于“省力”而是“省功”。省力只是咱们一种广义上的、口头上说法。

轮结构能够省力(功),是因为它用“滚动摩擦”代替了“滑动摩擦”。滑动轴承的轮子虽然微缩到轴承上仍然可见滑动摩擦,但轴承已经接近圆心,相比不带轮的结构,“摩擦距离”可以视为已经被微缩到极小,因此能省下不少功。而对于更加调皮的滚动式轴承来说,连滑动的部分也被省去,运转时摩擦力会更小,不仅省功,而且省力。

当摩擦力被几何倍数减小之后,运动惯性的效果就会被大幅度恢复。在平地上骑行,只要赋予一个平平无奇的初速度,自行车能够滑行数米甚至数十米,而这数十米的滑行路程完全是不需要额外提供动力的。就能量消耗的角度而言,滑行时候的动能损耗很低,能量的利用率很高,所以骑行相比步行能够很明显地感觉到“省功”。

就骑行而言,我们脚踩踏板供能,也只是补充轮轴摩擦的耗能、风阻耗能、轮子与地面滚动摩擦的耗能。非要多说也只能讲爬坡时候克服重力分力的耗能了。除了爬坡外,其他耗能可以说是非常细微,维持运动所需的力或能量都是很小的。

所以,轮结构是一切车辆省力省功的核心机械结构。

步行,全靠滑动摩擦提供动力,没有“滑行”这个操作,不能利用运动惯性,动能可以说是每一步都在浪费,因此功耗大、运动效率低。


如果有运动经验的人还会发现,给脚上加轮,行动会轻松很多,但玩轮滑也还是比骑行更累一些。

轮滑运动增加的能耗其实不在于滑行,而在于轮滑运动获取动力的方式!俩脚是等长的,想要用脚获取动力,必须一条腿半蹲,另一条腿才能腾出足够的长度进行“推动”。这个“蹲起”的过程是费力的,要克服重力做功,所以这个动作的消耗的能量有相当大一部分被用来“起”,只有少部分被用来制造前进动力,所以轮滑还是偏费力一点。

同理,跑步也比走路费功,因为跑步是一种快速的“走路”,为了让两腿可以更好的交错发力,跑步需要施展出远超过行动距离的步幅,多出来的这段步幅是用来给两腿的运动加速的,所以跑步时候总是要把步子抬到很高,甚至还需要带一点“跳跃”的动作。这些地方都会增加额外的能量消耗。

自行车能够把以上这些费力费功的地方全部省去,因此是一种能量利用率非常高的机械。

虽然机械结构上是费力机械,但相较于步行,轮结构让它仍然非常省功。


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一般来说,自行车是费力机械,但是需要具体情况具体分析。

如图所示是自行车的结构示意图。自行车的原理是用力踩脚踏板,通过曲柄传动至牙盘,然后通过链条,将牙盘的转动传至飞轮,最后飞轮带动后轮,自行车就可以动起来了。要想知道自行车是省力机械还是费力机械,首先要知道省力机械和费力机械的区分方法。省力不省功,省力费距离,费力省距离,所以我们可以通过比较着力点和阻力点的移动距离来判断是否省力。这里忽略自行车的阻力。设脚踏板的移动弧长为x₁,曲柄长度为a₁,牙盘边缘上一个点移动弧长为x₂,半径为a₂(指挂链条的齿轮半径),飞轮和牙盘通过链条连接,因此飞轮边缘上一个点移动的弧长也是x₂,飞轮半径为b₁(指挂链条的齿轮半径),后轮边缘上一个点移动弧长是x₃,半径为b₂。则

故有:

如果 ,则脚踏板移动的距离大于后轮边缘移动的距离,所以省力,同理如果 ,则费力。


user avatar   yamamoto-NUM1 网友的相关建议: 
      

从物理学角度来说,自行车省功,从人的感受来说,节省了做功自然会省力。

之所以会省功,是因为与走路相比,骑自行车人的重心在竖向只是沿着路面高程变化,而不会像走路那样每走一步都会随着步伐一上一下波动。

况且,平路和下坡路,自行车可以滑行,人此时是不做功状态,可以休息。但如果是走路,无论平路还是上坡、下坡,都会不不停地做功,因为人身体不可避免要随着步伐上下起伏,做了很多无用功,因此走路会更累。


user avatar   luo-wei-zi 网友的相关建议: 
      

自从有了快进, 倍速, 就静不下来从头到尾不跳, 不倍速的看一部完整的连续剧了.

自从有了电影, 剧透, 解说, 豆瓣, 就没有一部电影反复看N遍, 自己傻呵呵的品味自己猜出的那些梗了.

别人的思考代替了自己的品读, 那种味道中多少有一些别人的口水味.




  

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