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骑自行车爬坡时,为什么走“S”形更省力?

来源:科普中国-科学原理一点通 作者:尹佳 浏览: 发布时间:2020-07-02

骑自行车是一种低碳环保的出行方式,当在骑行途中遇到爬坡路段时,会非常吃力。如果所骑的是普通自行车,可以采用“S”形路线的骑行方式,让骑行变得轻松一些。那么,这其中蕴含着什么原理呢?

从做功的角度来看,坡作为物理学中的斜面模型,如同杠杆、滑轮一样,可以起到省力的作用。以杠杆为例,动力臂的长度是阻力臂的几倍,就能达到几倍的省力效果,而同样对于光滑斜面来说,斜面长度是高度的几倍,就能达到几倍的省力效果。也就是说根据斜面原理,斜度越小或者斜面越长,则越省力。

为什么斜度越小越省力呢?因为当物体处于斜面上时,其中一部分重力会由斜面承担。由图1和图2可以看出,物体的重力竖直向下,重力可分解为两个相互垂直的分力:一个平行于斜面,另一个则垂直于斜面。垂直于斜面的分力完全由斜面承担,无需其他的力进行作用。也就是说,斜面能够承担物体一部分重力,而且斜度越小,斜面所能承担的物体重力越大。当斜面的斜度为零时,此时的斜面就变成了水平面,垂直于斜面的力会达到最大值,即等于物体的全部重力。当把物体从斜面底部向上推动时,共需要克服两个力:一个是平行于斜面向下的分力,另一个是物体与斜面之间的摩擦力。这两个作用力要比物体自身的重力要小,所以推动物体向上行进会比垂直抬动更为省力。

“S”形爬坡就是利用了斜面的特性,达到了省力的目的。但“S”形爬坡也有一定的缺点,那就是费时和做功多。相比于直线爬坡,“S”形爬坡的路程变长了,在增速不多的情况下也就增加了爬坡的时间,同时又要克服摩擦力做功,因此爬坡所做的功也相应增加了。

日常生活中使用的许多工具如斧头、小刀、螺丝、螺母,还有盘山公路等也都是利用了斜面省力的原理。

本文由北京市第六十五中学一级教师 胡晓艳进行科学性把关。

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