Question

如圖所示，一自行車上連接踏腳板的連桿長R₁，由踏腳板帶動半徑為r₁的大齒盤，通過鏈條與半徑為r₂的后輪齒盤連接，帶動半徑為R₂的后輪轉動．
（1）設自行車在水平路面上勻速行過時，受到的平均阻力為f，人蹬踏腳板的平均作用力為F，鏈條中的張力為T，地面對后輪的靜摩擦力為f_s，通過觀察，寫出傳動系統中有幾個轉動軸，分別寫出對應的力矩平衡表達式；
（2）設R₁=20厘米，R₂=33厘米，踏腳大齒盤與后輪齒盤的齒數分別為48和24，計算人蹬踏腳板的平均作用力與平均阻力之比；
（3）自行車傳動系統可簡化為一個等效杠桿．以R₁為一力臂，在右框中畫出這一杠桿示意圖，標出支點，力臂尺寸和作用力方向．

Answer 1

分析：（1）自行車傳動系統中有兩個轉動軸：踏腳板帶動的大齒盤中心轉動軸和后輪的轉動軸．可寫出兩個力矩平衡表達式．
（2）列出兩個平衡表達式，代入數據，求出人蹬踏腳板的平均作用力與平均阻力之比．
（3）人蹬踏腳板的作用力向下，地面的阻力水平向前，根據（2）算出的比例，畫出杠桿示意圖．

解答：解：（1）自行車傳動系統中有2個轉動軸．
對踏腳齒盤中心的轉動軸可列出：FR₁=Tr₁                       ①
對后輪的轉動軸可列出：Tr₂=f_sR₂                              ②
  （2）由  FR₁=Tr₁   Tr₂=f_sR₂
   及  f_s=f                                                ③
可得 

FR1

fR2

=

r1

r2

=

48

24

=2                                      ④
故

F

f

=2

R2

R1

=

2×33

20

=3.3                                       ⑤
（3）如圖所示．
答：
（1）傳動系統中有2個轉動軸，對應的力矩平衡表達式分別是FR₁=Tr₁和Tr₂=f_sR₂
（2）人蹬踏腳板的平均作用力與平均阻力之比為3.3．
（3）杠桿示意圖如圖．

點評：這是一道理論聯系實際的問題，主要考查建立物理模型、應用所學知識分析生活中常見機械裝置中力學原理的能力．