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28.关于在自行车行进中溅起泥水的运行轨迹的研究(校对)


关于在自行车行进中溅起泥水的运行轨迹的研究
福州三中 2003 级(4)班林璜方研究小组 )

小组成员: 张崇煜 小组成员:林璜方(组长) 单治 指导老师: 指导老师:吴李岗 文章摘要】 【文章摘要】 : 我们实验小组对影响自行车轮子溅起的泥水的运行轨迹的因素,泥水的运动方式进行理 论分析,然后通过实验的方法来确定泥水的运行轨迹. 关键词】 【关键

词】 车轮转速 圆周运动 运行轨迹 : 研究目的: 研究目的: 现在,自行车因为其健康,环保的特点而被越来越多的人所喜爱.自行车已不是一种单 纯的交通工具,它还能为人们提供娱乐与休闲.骑自行车已成为一种时尚,越来越多的人将 目光投向了越野自行车.越野自行车带给人一种阔气,一种野性.那在风中的感觉,那擦肩 而过的帅气是任何事物无法比拟的.但是,如果你骑着越野自行车疾驰在小雨中,甚至是只 有积水的地面上,那股帅气就一扫而空了.因为当你从积水上疾驰而过时,从轮子上带起的 泥水势必溅得你满身都是.唉,现在的越野自行车挡泥板大多只讲究美观,设计得又短又小, 完全起不到"挡泥"的作用.为了增强挡泥板的挡泥效率,我们小组对行车中溅起的泥水在 空中的飞行轨迹展开了研究. 研究步骤: 一.提出可能影响泥水运行轨迹的因素 1.液体的粘性:因为地上积水的成分不同,粘性大小参差不齐,这有可能会影响水的运 行路线,从而影响泥水运行轨迹. 2.轮胎花纹:为了增加轮胎摩擦力,给予车子更佳的动力,车轮外胎被赋上了花纹,这 些花纹有可能对水的飞行路线产生影响,从而影响泥水运行轨迹. 3.轮胎材料:这也是轮胎自身的一个因素,有可能对液体的粘力等因素产生影响. 4.车轮转速:从平时的经验可得知,在不同的车轮转速下,水滴的溅射效果将会不同. 所以这是个十分关键的因素. 5.人体质量的影响:自行车骑手的质量大小将在很大程度上决定轮胎的形变程度,所以 这也是需要考虑的因素之一. 二.初步探讨 在前面提出的诸多问题中,有许多是十分细小的部分,如果一下子集中起来,难度较大, 必须从简单的开始. 如果将挡泥板的效率简单化,那么考虑起来就简单了些.我们用雨伞打个比方,下雨时, 在雨伞的遮挡区域以外,雨滴就会保持原运动状态继续下落,若雨滴在下落过程中碰到了雨 伞,雨滴的下落就被阻止住了.雨伞根据雨滴运动方向阻止雨滴下落的那片区域就是有效区, 没有阻止雨滴下落的那片区域就是失效区.同理,水滴沾在轮子上,随轮子做圆周运动,并 沿着轮子的切线方向脱离轮子飞出,而后做斜抛运动.从与地面垂直的切线的切点算起,到 车轮上与其相对另一端的切点为结束点的这半个圆周,这个区域内是后轮水滴可能对人造成 影响的区域.而前轮的影响区域,是从车轮着地点起到水滴垂直于地面向上飞出的切点为止 的四分之一圆周.如此说来,不是只要将这两个可能有影响的区域完全遮住就可以了?根据 以上论述,最理想的挡泥效果应该是这样的,就象普通型的自行车一样.所以一般来说骑普 通自行车的人就不用担心自己车轮带起的水滴溅到自己身上.但是我们研究的对象是越野自 行车,如果象普通自行车那样将轮子全部包住的话,不但影响整车的美观,还会在复杂地形 行驶时造成诸多不便.根据骑车者的经验,在雨天行驶时降低车速可以避免轮子卷水并溅射

到自己身上.依此看来,轮子转速越快,有影响的区域就应该越大.可是车速过快时,水滴 的飞行路线就会接近平行于地面而朝向骑手,这部分是一般的挡泥板都可以阻挡到的.所以, 现有的挡泥板不是在车速最高或最低时失效,而是在某一速度区域内失效.这个区域我们称 之为"失效速度区" .挡泥板所能遮住的那个区域,我们称之为"有效区" ,无法遮住的那个 区域则称之为"失效区" .当前要解决的问题是测定水在空中飞行的轨迹,从而测定失效区. 三.再次研究 如果说要测定失效区域的话,必然要涉及到水在何时,在什么条件下,从哪个切点飞出 的问题.之前提出的因素中有许多因素是与轮子有关的,现在做一些具体分析. 1. 轮胎的材料:现在轮胎的材料都是差不多的,所以这个因素可以暂且放在一边不予 考虑.虽然轮胎的厚度有可能造成直径上的差异,但是由于轮子本身就有规格上的 大小之分,所以我们在具体研究前就已经将研究轮子线速度改为研究角速度. 2. 轮胎的花纹:现在的轮胎上都是有花纹的,花纹的形状可能会对水飞出的起点产生 影响,这就使得连续水滴飞出的轨迹可能并不是一条连续的线.但由于这个因素不 易变动,且不是影响水滴运动路线的主要原因,所以暂且放在一边. 3. 人体质量:如果车子附加上人体质量的话,轮子的下表面就不是一个弧形了,这就 使得轮子会粘上水.但是轮子下端的形变在影响区域以外,轮子下端的形变已经构 不成影响,且轮与地面摩擦力大小只会影响转速大小,所以这个因素也可以忽略. 4. 液体的粘性:这是个比较尖端的问题,经过网上的查找和集体讨论,液体的粘性应 该和密度,成分,液体本身的性质,大气压力,温度等诸多因素有关系,这给研究 增加了很大难度.所以这个问题最后解决,实验时暂且不计. 5. 轮子转速:应该说,转速是主要因素,水何时飞出很大程度上取决于转速的大小. 在什么转速下,水如何运动应该是研究的关键. 这时,有组员提出是否可以对在轮子上运动的水珠做一个受力分析.可以打一个比 方,一条绳子头系支点尾系一小球,小球在一光滑水平面上绕支点做圆周运动.根 据 F=mω2r,角速度越大,所需向心力就越大,当所需向心力超过绳子拉力最大值 时,绳断.球因无法继续圆周运动而保持原运动状态沿切线方向运动.如果象上述 例子一样,水珠在轮子转动时受一个粘力和其他诸多的力,在轮子转动的情况下, 当合力不能提供足够的向心力时,水珠飞出.这又有矛盾了,凭实际经验,转速越 快,水飞出的切点越高,如果象上述例子,转速越快,所需向心力就越大,那么转 速越快水飞出的位置应该越低.这是为什么?经过询问老师我们得出结论:向心力 的观点是可以解释这个现象的.之前的例子中只有绳子拉力提供向心力,向心力是 合力,在轮子转动的过程中不只是受到一个粘力,还有重力.而且,水滴在运动过 程中不是一粘上轮子,达到一定速度时就随着大流飞出的,它可能会有一个聚积的 过程,即达到一定的质量后才飞出.这些都是以后实验中要考虑的. 四.实验构想 为了弄清楚轮子转速与水开始做斜抛运动时切点位置的关系,我们提出了一个实验的初 步构想:动力源+传动装置+轮子和水槽组成的系统.为此,我们还提出了多种方案,限于篇 幅在此不做详谈. 最终,我们选择了使用电风扇的方案. 这时,:有组员提出疑问:平时在路上行车,车子是处于运动状态,而在这个实验设计中 的轮子是处于静止状态的.若轮子处于运动状态,水珠飞出时有一个向前的初速度,这会影 响水珠的运动方向.假设水珠不离开轮子,它的运动轨迹应是形成一摆线(一动圆沿着一曲 线 C 做纯滚动时,与动圆的固定点 P 的运动轨迹称为摆线) .这样的话实验还成立吗? 应该是成立的,因为我们研究的是通过测定水的飞行路线以增强挡泥板效率的问题,上

述形成的摆线轨迹所选择的参照物是地面,而在此过程中人,车,挡泥板,水应该是在同一 运动系统内,向前的速度是他们共同具有的.根据相同的参考系,它们互相处于静止状态. 所以实验还是成立的. 五.进行实验 实验题目:研究轮子转速与其抛出水滴飞行路线的关系. 实验目的:通过改变轮子转速拍下不同速度段下水滴飞行的瞬时图象来确定飞行路线. 实验原理:不同转速下水滴的飞行路线不同. 实验器材:220V 交流电源,减压器,风扇,调速器,椅子,自行车轮外胎,水盆,相机, 数字光电转速表,绳子,水桶各一,墨水若干瓶 实验记录: 1. 把电风扇的外框卸下,将自行车外胎套在扇页上. 2. 将器材按照 220V 交流电源,减压器,风扇调速器,电风扇的顺序依次接好. 3. 进行器材检测,发现风扇因外胎过重且风扇支架灵活可转动,会时不时地转动.为了 解决这一问题,我们将风扇绑在木椅上. 4. 将一张数字光电转速表的标纸贴在风扇页面上. 5. 将水盆放在轮子下方,装上适量的水,使轮子下沿浸入水中. 6. 再次进行实验检测时发现,轮子因为水阻过大无法启动并加速,所以我们将减压器去 掉. 7. 再次检测无误后,开始实验. 8. 选取几个不同的角度拍摄实验记录,一人测速,一人拍照,一人记录. 在实验过程中,利用数码相机拍照效果不明显,因此我们用黑色墨水给水染色.在经过 多次调试后,我们成功地用肉眼观测到了水珠的运行轨迹,虽然不是理想中的只有一条直线, 但这确是山地车运行中的真实水珠运动图象.我们用数码相机捕捉了这一图象,但由于数码 相机的暴光时间过长,水珠的图象十分模糊. 总结: 总结: 由于实验图片效果不理想和研究性学习截稿日期的关系,我们只针对自行车运行中车轮 溅起的泥水在空中的飞行轨迹进行了研究,而并没有进一步尝试设计新型的,效率更高的挡 泥板.我们在研究过程中学会了如何去思考问题,如何去证明结论,如何去总结经验克服困 难.在研究的过程中,我们努力了,我们付出了,我们实践了.如果今后还有机会,我们会 继续将这个研究进行下去,设计出比现有更好的挡泥板. 参考文献: 参考文献: 书名 《物理》 《简明数学手册》

编者名 出版社 人民教育出版社物理室 人民教育出版社 《简明数学手册》编写组 上海人民出版社

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