分析自行車上的摩擦力

魯明

摩擦力是一種常見的力，當兩物體相互接觸，相互擠壓，并做相對運動或者有相對運動趨勢時，在接觸面會產生一種阻礙相對運動的力，這個力叫摩擦力.在日常生活和生產活動中，有些摩擦是有利的，有些摩擦是有害的.我們總是要增大有益摩擦，減小有害摩擦.下面就以自行車為例來加深對摩擦力的認識.

一、自行車上的有益摩擦和有害摩擦

自行車上的靜摩擦都是有益的.各部件的固定和安裝都要用到螺絲和螺帽，必須要把它們旋緊，主要目的就是增大部件之間的摩擦力.如前叉和龍頭的固定、連接鞍座在車架上固定、前后輪在車架上固定、腳蹬在曲柄鏈輪上固定等；后輪胎和地面的摩擦也是靜摩擦，因為它是驅使自行車前進的力，所以它也是有益的摩擦力；剎車時剎皮和車輪之間的摩擦能有效地控制車子的行進，所以它也是有益的.

自行車上的動摩擦都是有害的.如中軸、前車軸、后車軸、前叉合件、腳踏軸等部件，同時包括剎車把手，它們在轉動過程中極易使部件磨損，造成傳動或轉動障礙，所以它們之間的摩擦是有害的.

二、自行車上增大有益摩擦和減小有害摩擦的部位和方法

1.自行車的種類很多，不管是哪種自行車，增大和減小摩擦的方法都差不多.自行車上增大有益摩擦的方法有兩種：一是增加接觸面的粗糙程度來增大摩擦；二是用增大壓力的方法來增大摩擦.

（1）在自行車上有很多部位都是通過增大接觸面的粗糙程度來增大摩擦的，具體見下表.

（2）自行車也有一些地方是采用增大壓力的方法來增大摩擦的，具體見下表.

2.自行車上減少有害摩擦的方法有兩種：一是利用滾動摩擦代替滑動摩擦來減少摩擦；二是給某些部件加潤滑劑來減少摩擦.

（1）以滾動摩擦代替滑動摩擦的部位和方法見下表.

（2）自行車上也有通過給某些部件加潤滑劑的方法來減少摩擦的，比如在鏈條和軸承處.

三、車輪所受的摩擦力方向

1.腳蹬自行車啟動時車輪所受的摩擦力方向

如果問自行車是怎樣前進的？很多同學都會說這個問題太簡單了，“因為人用力蹬，所以車向前進”.實際上如果找一輛可以三點支撐的自行車（如圖1），支起它的后撐腳，用手搖動腳踏使后輪轉動起來，發現自行車是絲毫不前進的.所以自行車后輪還必須與地面接觸才能前進.

那為什么后輪著地時蹬車車就能前進呢？當我們騎在自行車上時，由于人和自行車對地面有壓力，輪胎和地面之間不光滑，因此自行車與路面之間有摩擦力.那么這個摩擦力的方向是什么呢？這里結合圖示加以受力分析.

首先，當腳對腳蹬施加向下的作用力F時，鏈條帶動飛輪向前（本文中是以向右為前，向左為后）轉動，從而帶動后輪沿順時針方向轉動，如圖2箭頭所示.

此時后輪相對于地面有向后的運動趨勢，如圖3的箭頭所示.根據靜摩擦力的方向與物體的相對運動趨勢方向相反，所以地面對后輪產生了向前的靜摩擦力f，從而推動自行車能夠前進，這就是自行車前進的動力，如圖4所示.所以我們把自行車的后輪稱為主動輪，而把前輪稱為從動輪，是“被迫”旋轉的，起輔助行駛和輔助平衡的作用.

那前輪此時是否受到摩擦力呢？答案是肯定的.因為此時地面對后輪產生了向前的靜摩擦力，使自行車向前運動起來，此時前輪相對于地面向前滾動，如圖5箭頭所示.而且地面又是粗糙的，所以前輪受到了地面的滾動摩擦力.根據摩擦力的方向總是與物體的相對運動方向相反，所以地面對前輪產生的滾動摩擦力f的方向是向后的.如圖6的箭頭所示.

那么前輪所受滾動摩擦力有什么用？是用來阻礙自行車的運動的，其方向與自行車前進方向相反.正是這兩個力大小相等、方向相反，所以自行車能夠做勻速直線運動.

2.當停止踏動腳踏板時車輪所受的摩擦力方向

當停止踏動腳踏板時，鏈條和外套都不旋轉，但整輛自行車由于具有慣性仍然保持向前運動的狀態，此時前輪和后輪都相對于地面向前運動，如圖7箭頭所示.因此地面對前輪和后輪都產生向后的滾動摩擦力f，如圖8箭頭所示.由于摩擦力的方向與物體的相對運動方向相反，根據力可以改變物體的運動狀態，所以自行車處于減速狀態.

3.剎車時車輪所受的摩擦力方向

剎車時，剎皮與車圈間的摩擦力屬于滑動摩擦力，阻礙后輪沿順時針轉動方向轉動.因為接觸面所受壓力越大，接觸面越粗糙，滑動摩擦力就越大.如果此時手握剎車把手壓力越大，剎皮對車圈的壓力就越大，產生的摩擦力也就越大，后輪就轉動得越慢.如果完全剎死，這時后輪與地面之間的摩擦就變為滑動摩擦（原來為滾動摩擦，方向向后），強大的滑動摩擦力f的方向與自行車前進方向相反（如圖9箭頭所示），阻礙了自行車的運動，使自行車迅速減速（或迅速停止運動）.

4.人通過走路推動自行車行駛時車輪所受的摩擦力方向

當人們在地上推自行車前進時，前輪和后輪的摩擦力方向都向后.示意圖如圖8所示.那誰和這兩個力平衡呢？腳對地面向前的摩擦力.

通過對自行車上的摩擦現象的再認識，我們不但進一步鞏固了物理知識，而且能夠和實際生活相聯系，運用已有知識分析、解決問題，體會到物理知識和社會生活有著密切的聯系.