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自行车受力分析——摘自【滚动摩擦理论的误点分析】

2018-03-04 19:36阅读：

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五. 自行车受力分析
有人讲，火车主动轮受到的摩擦力方向向前，是推动火车前进的动力，而被动轮所受的静摩擦则是阻碍火车前进的滚动摩擦力；还有人说，地面对脚产生向前的作用力（静摩擦力），是使人前行的动力。这种把静摩擦作用解释成是阻碍火车前进的滚动摩擦力是不对的，尤其以摩擦力方向来判别是动力还是阻力的做法更是及其错误的！下边就以自行车前、后轮为例解析一下滚动时各作用力的相互关系。
前边已经讲过，相互作用物体有摩擦作用时，力偶和线性力都可以单独使物体产生滚动。自行车前、后轮受力状态正是这两种作用方式的代表。

自行车前轮的动力作用是由自行车前叉对转动中心的线性力，其受力状态如图7c所示。诸力对瞬心O的作用如图7d所示。这是一个典型的滚动受力分析，这里就不多说，下边主要讲解一下后轮的受力分析。
自行车受力分析——摘自【滚动摩擦理论的误点分析】

图5 自行车后轮的动力作用

自行车后轮的动力作用是由链轮传递的对转动中心（后轴）的力矩，如图5所示。这是一个定轴力矩，定轴（心）具有平衡外力作用的能力，这是定轴（心）转动的必要条件。力P习惯称作圆周力，作用力方向遵守时针法。

将力P向轴心平移，得一旋转力偶(P,P’)，这个就是后轮的旋转动力。这个力矩对平面任意一点的作用都相当于力偶。当这个旋转的后轮与地面接触时，如图6 所示，由于重力作用，在接触点A处与地面产生摩擦。这个摩擦作用力P’ 称作主动摩擦力(见【滚动阻力不是摩擦作用】)。它引起地面的惯性阻抗，产生被动摩擦力F。由于摩擦力F的作用，使得A点产生瞬时不动现象。这时，由于旋转力偶的作用，使得后轮绕A点旋转，这个旋转造成B点与地面接触，由原来的位置到达B’点，形成新的不动点，而A点则与地面脱离，从而产生位移。这是一个双定心体系，例如地球绕太阳的运动就是这种现象。这种旋转体的位移我们称之为滚动。
自行车受力分析——摘自【滚动摩擦理论的误点分析】 图6 转动体的位移示意图

自行车后轮受力状态如图7a所示。诸力对瞬心O的作用如图7b所示。从图7b和图7d比较来看，前、后轮只有摩擦力的方向不同，这是因为它们获得的动力方式不一样，力偶对瞬心的平动作用方向与滚动方向相反，线性力对瞬心的平动作用方向与滚动方向相同。而摩擦力正是由这种平动作用引起的反作用力，故此，自行车前、后轮摩擦力方向才不同。
自行车受力分析——摘自【滚动摩擦理论的误点分析】 自行车后轮滚动受力分析 自行车前轮滚动受力分析 图7 自行车前、后轮滚动受力分析
从图中可以看出，无论摩擦力方向向前还是向后，对瞬心O都没有力矩作用。但，这个反作用力F的大小对物体的滚动却有很大影响。以往的讨论都是假定F大于P的条件下进行的，当F小于P时，物体将产生滑动或转动，这类事实在我们日常生活中是常见的。例如，若脚下很滑（即摩擦作用小），人行走就会很吃力；汽车若在带冰的路上行驶会出现‘打滑’。即：相互作用的物体产生滚动的条件是该点的最大静摩擦力大于外作用力，当摩擦力小于外力作用时，力偶和线性力不能单独使物体产生滚动。届时，只能相应地产生转动或滑动。也就是说，对滚动来讲，摩擦作用既不是阻力，也不是动力。它只是起稳定瞬心，使之不产生位移的作用。摩擦作用越大，瞬心稳定性越强；没有磨擦作用就不能产生滚动。

不难看出，造成转动体滚动的动力是旋转力偶(P,P’)，而摩擦力F仅仅阻碍了转动体瞬心的平动作用，它虽然改变了旋转体的旋转状态，但对转动体并没有推动作用。因此，我们不能说它是自行车前进的动力！也不能说它是人行走的动力呢！！更不能说它是推动火车前进的动力！！！

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