4.
依据文中内容,请回答下列问题:
变速自行车的奥秘
变速自行车可以通过调节不同的“档位”来应对不同的路面情况——需要爬坡时,可以降低档位,此时会感觉自己骑起来“更轻松”;到了下坡时,可以提升档位,此时会感觉自己“骑得更快”。这之中的奥秘在哪里呢,让我们一起来探究吧!
如图所示是变速自行车的驱动结构,它与普通自行车的区别在于,它的后齿轮由多个半径不同的齿轮共同组成(普通自行车的后齿轮只有一个)。选择不同的档位时,自行车的链条会调整到相应档位的后齿轮上——选择低档位时,链条调整到半径较大的齿轮上;选择高档位时,链条调整到半径较小的齿轮上。
自行车的前齿轮和脚踏板构成一个轮轴型的杠杆结构,动力是人给脚踏板的蹬力,阻力是链条对前齿轮的拉力,动力臂是脚踏板到轴心的长度,阻力臂是前齿轮半径,此时动力臂大于阻力臂,因此是一个省力杠杆。自行车的后齿轮和后车轮构成另一个轮轴型的杠杆结构,动力是链条对后齿轮的拉力,阻力是地面给后齿轮的摩擦力,动力臂是后齿轮半径,阻力臂是后车轮半径,此时动力臂小于阻力臂,是一个费力杠杆。
骑自行车时,人踩脚踏板一圈,前齿轮跟着转动一圈,带动链条转动的长度为前齿轮的周长。与此同时,链条带动后齿轮转动,由于后齿轮的半径小于前齿轮,为了保证链条转动的长度相同,后齿轮必须转过的圈数大于前齿轮。后齿轮的半径越小,它转过的圈数就越多。后齿轮同时带动后车轮转动,它们转动的圈数保持一致。因此,后齿轮越小,脚踩一圈,后车轮转动的圈数越多,即自行车前进的距离越长。
在爬坡时,自行车受到的摩擦阻力较大,因此需要把后齿轮的半径(动力臂)调整得大一些,以达到相对省力的效果。在下坡时,自行车受到的摩擦阻力较小,此时为了让自行车更快前进,可以将后齿轮的半径调小。