探究自行车的平原理(终极版).doc

探究自行车的平衡原理 高一（20）班 组长：梁栩健 组员： 吴汉聪 指导教师：施文静 吴仲森 摘要 自行车，已成为了我们日常生活中使用的工具。我们可以悠闲地骑着自行车，穿越街道，森林，高山，看尽无数风景。然而，是否有人想过，自行车为什么不会倒下呢？是什么力量去维持它的平衡呢？这问题高中知识可以解决吗？论文就此问题利用各种资料对自行车不倒的现象进行深入的研究和详细的分析。 研究背景和目的 一天，我和别人一起去松山湖生态公园骑自行车，就在享受那美好的自然风景时，忽然，惊诧的事情发生了，一个小孩骑自行车摔倒了，幸好他的父母在旁边，立刻扶了小孩起来，虽然小孩脚擦伤了，但是他依然露出微笑的神情，我也舒了口气。刹那间，我的脑海里有疑惑之光划过，自行车倒了，那么怎么能让它不倒呢？是什么使得自行车在运动时不倒下呢？带着这样的疑问我们对上述课题进行深入研究。 关键词：自行车 平衡 实验 研究过程与数据 我们提出自行车的不倒的因素后，在确实的资料基础上，我们做实验验证事实是否符合资料所说。 参考文献：《趣味物理学》《发明中的科学》《科学》《科学之迷》等书籍，及上网查阅资料。 于是我们猜测令自行车的平衡的主要原因有两个： 一：速度（包括“陀螺效应”和“自行车的平衡机制”） 二：人-车平衡系统（包括“加速度很小的‘微变速运动’”和“重心控制”） 探究一:探究自行车的平衡是否与“速度”有关 分支1：陀螺效应——陀螺的转速 我们首先查阅资料了解“陀螺效应”。 陀螺效应：旋转的物体有保持其旋转方向（旋转轴的方向）的惯性。例: 一个转动的物体，当在某一点施力，施力的效果会出现在沿转动方向 90 度的地方出现，而且转动的物体会有保持原来状态，抗拒外来力量的倾向，也就是转动中物体的轴心会极力保持在原来所指的方向。像枪管中的膛线使子弹高速旋转以保持直进性就是运用陀螺效应，直升机高速旋转的主旋翼同样的也会有陀螺效应产生，控制方式也必须考虑这种力效应延后 90 度出现的陀螺效应。为此，我们先做一个实验验证在陀螺效应（高速运动）时自行车的稳定性。方法就是把车轮拆出来，用手指抬着车轴一端，让车轮在高速转动。我们发现神奇之处：车轮在手指上转动并不翻倒。据此情况我们并不能准确确定其与速度有关，于是我们继续实验，争求多种实验的通性。接下来我们用绳子绑着一个纸杯，在纸杯里放重物，手拿绳子另一端转动，慢速时重物掉下，快速时重物不掉落。 之后我们观察了陀螺转动的整个过程，又有了意外的收获。陀螺转动过程：一开始由于手拉动而使陀螺倾斜，陀螺就兜着圈起来，然后陀螺会自动摆正至在地上某一点稳定转动，转了一段时间后，陀螺速度慢下来，倾斜地转着，最后停了，倾斜倒在地上。分析：陀螺稳定到一点，说明有力令它保持在原来所指的方向上，由于陀螺转动是一个不断减速的过程，速度低了，自然就倾斜了，直至倒在地 上。 实验一与实验二如下图： 由以上3个陀螺效应现象，并且通过两实验我们可以准确确定陀螺转动是的稳定性是与速度有关的，而且是成正相关的，也就是说自行车的两轮子充当了两个陀螺，为自行车的平衡提供了一臂之力。 分支2：自行车的平衡机制——车速 自行车本身的平衡机制，来自于前叉后倾。我们可以观 察到，几乎每辆自行车的车把轴，都不是与地面完全垂直， 而是后倾的。由于前轮是固定在车把的前叉上，因此又叫前 叉后倾。前叉后倾，使车辆转弯时产生的离心力其所形成的 力矩方向，与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复 到原来的中间位置上。这样，车子就有了自动回正的稳定性。 车速越快，所造成的恢复力矩越大，骑车人就越感到稳定。 这就是高速骑车时，会感觉车子比刚刚起步的时候稳定的原因。实验器材：稳定性测量器，自行车，电池，摄像机*2，导线，卷尺，粉笔。 先介绍下我们的艰辛杰作—稳定性测量器： 长：25.9cm 宽：23cm 高：16.5cm 角度测量极限：0~30° 转速：满电时1.2rad/s，收纸速度为4cm/s。 控制系统：按住控制器上的红柄，往上为收纸功能，往下为退纸 功能。 原理：稳定性测量器后有一重物，当车子摇动时，重物仍然指向 地心，由于绳子拉动，笔把摆动信息记录到纸带上，就像地震波 记录仪，纸带上便出现了一条摆动曲线。 应用：对于本实验，此稳定性测量器能测量自行车的稳定性。除此之外,此稳定性测量器也可广泛且有效地应用于科学测量的各个领域。 (1)行驶稳定性:现代社会汽车随处可见,已成为我们生活中不可缺少的交通工具.然而汽车的安全性备受人们关注.在测试汽车性能的过程中,不妨使用此稳定性测量器,把它装到车身上,运作,让其汽车以不同的速度,在车道行驶;或以恒定的速度在崎岖不平的道路上奔驰.测试完毕,可以通过稳定性测量器展示的波动状况,分析汽车稳定性,从而得知其性