21.请阅读《变速自行车的奥秘》,回答问题。
变速自行车的奥秘
变速自行车可以通过调节不同的“挡位”来应对不同的路面情况﹣﹣需要爬坡时,可以降低挡位,此时会感觉自己骑起来“更轻松”,到了下坡时,可以提升挡位,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1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)。选择不同的挡位时,自行车的链条会调整到相应挡位的后齿轮上:选择低挡位时,链条调整到半径较大的齿轮上,选择高挡位时,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,阻力是地面给后车轮的摩擦力,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。
依据文中内容,请回答下列问题:
(1)自行车驱动结构中,前齿轮和脚踏板组成一个
杠杆,后齿轮和后车轮组成一个
杠杆(选填“省力”、“费力”、“等臂”)。
(2)骑自行车时,人脚应该向什么方向用力才能最省力呢?
。请在图2中画出最省力时,人脚对脚踏板的力F(作用点面在抑踏板中心),以及这个力对应的力臂L
.(提示:脚可以向各个方向用力踩脚踏板,脚踏板可以通过旋转来适应脚的用力方向。)
(3)爬坡时,应将链条调整至半径较
(选填“大”或“小”)的后齿轮上,从而达到相对省力的目的。
(4)前齿轮和后齿轮在共同工作时,其特征是
A.相同时间转过的圈数相同
B.相同时间带动链条转动的长度相同
C.相同时间转过的圈数和带动链条转动的长度均相同
D.相同时间转过的圈数和带动链条转动的长度均不相同
(5)自行车在水平道路上行驶时,后车轮所受的摩擦阻力约为20N,一辆自行车后车轮的半径约为40cm,若它此时链条挂在中间挡位的后齿轮上,其半径为5cm,由于前齿轮与后齿轮由链条连接,所以前、后齿轮受到的链条的拉力相同,若前齿轮的半径为10cm,脚踏板到轴心的长度为25cm,则自行车匀速行驶时,人蹬车的力至少应为
N。