Точка обода колеса велосипеда совершает - Infinity-Terra.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Точка обода колеса велосипеда совершает

Колесо велосипеда. Какое оно ?

Ни для кого не является секретом, что колеса на велосипеде играют чуть ли не главную роль. Именно колеса принимают на себя значительную нагрузку при эксплуатации велосипеда. Колеса обязаны держать не только вес велосипедиста, но и справляться с последствиями ударов на неровной поверхности. Кроме всего прочего, они должны иметь достаточный запас прочности, имея небольшой вес.

Уход за колесом велосипеда

Колесная пара, как и все элементы велосипеда, нуждается в тщательном уходе, то есть ремонте и профилактике. Чтобы избегать внезапных поломок или ухудшения скоростных характеристик велосипеда, стоит проводить следующий комплекс работ:

— своевременная смазка подшипников как передней, так и задней втулок;

— проверка степени натяжения спиц;

— проверка уровня давления в шинах;

— проверка геометрической формы обода (на наличие «восьмерки»).

Если все данные процедуры будут проводиться Вами хотя бы раз в две недели при частой эксплуатации велосипеда, качественная работа колесной пары гарантирована.

Основные элементы колеса

Основные элементы колеса – камера, обод, покрышка, втулка, спицы. Главная рабочая характеристика велосипедного колеса – диаметр обода. Чем больше диаметр обода, тем большую скорость способен развивать велосипед и тем лучше его проходимость по местности. С другой стороны, чем меньше диаметр обода, тем компактнее конструкция велосипеда. В настоящее время можно встретить велосипеды с различным диаметром обода на все случаи жизни.

На данный момент во всем мире принята стандартная система измерения диаметра колеса ETRTO. То есть, это величина посадочного диаметра в месте соприкосновения покрышки с ободом. За единицу измерения принято принимать миллиметры или дюймы. Однако чаше используют дюймы. Колеса наименьшего диаметра равны 20 дюймам, наибольшего – 28 дюймам. Это, как правило, шоссейные скоростные велосипеды. Шоссейные велосипеды, имея наибольший диаметр колеса, намного быстрее разгоняются и способны удерживать большую скорость. Зато на велосипеде с малым диаметром колеса можно совершать акробатические трюки и необычные маневры.

Чтобы ближе познакомиться с конструкцией колеса, рассмотрим немного подробнее его составляющие:

— Шина является неизменным элементом велосипедного колеса. Она частично предохраняет обод от повреждения и способна гасить ударную нагрузку. Также протектор на поверхности покрышек шин способен обеспечить достаточно хорошее сцепление колеса с дорогой в каждой точке соприкосновения. Обычно шина состоит из покрышки и камеры. Однако можно встретить шины бескамерные, которые состоят только из покрышки. Важно знать, что не только посадочный диаметр является важным показателем для шин. Также важна ширина. В настоящее время наименьшая встречающаяся ширина у шоссейного велосипеда – не более двух сантиметров, а наименьшая встречающаяся ширина – больше шести сантиметров. На велосипедах с наименьшей шириной шины лучшая способность развивать максимальную скорость, зато у велосипедов с большим диаметром шин проявляется лучшая маневренность и устойчивость.

Также встречаются «велотрубки» — это шины, которые объединяют в себе элементы и покрышки, и камеры. «Велотрубки» можно встретить на спортивных велосипедах.

Обод является наружной частью колеса. С внешней стороны его защищает шина, а своей внутренней частью соединяется с втулкой велосипедными спицами. Чтобы изготовить обод применяют особые виды стали, сплавы алюминия, а также композитные материалы. Самое главное требование, предъявляемое к ободу – максимально возможная прочность и минимально возможный вес. Кстати, обод также является неотъемлемой частью такого важного элемента как тормозная система.

Чтобы обод получил дополнительную прочность, его поверхность насыщают другими веществами гальваническим способом — анодированием. В таком случае, если обод алюминиевый, то после анодирования его цвет станет черным. При анодировании стоимость обода увеличивается на 10-20 процентов.

Что касается конструкции обода, то на большинстве велосипедов стоят коробчатые обода. Такие обода имеют высокие стенки и углубление, в котором размещается шина. В случае, если шина хорошо накачана, она упирается в стенки обода и хорошо держится в нем. В шоссейных велосипедах используются другой тип обода. Там шина наклеивается прямо на обод через спец. материал.

Обода еще подразделяют на одностенные и двустенные.

Одностенный обод является самой простой версией и его ставят на дешевые велосипеды.

Двустенные обод имеет меньший вес и большую прочность. Внешне они отличаются тем, что у них есть специальная горизонтальная перемычка. Она влияет на прочность и жесткость обода. Двустенные обода встречаются на более дорогих велосипедах. Но оно того стоит. С такими ободами не страшно совершать высокие прыжки, или ехать по гористой местности.

В настоящее время появился еще один тип обода – трехстенный. Он имеет уже две специальные горизонтальные перемычки. Такой обод имеет большую прочность, практически застрахован от «восьмерок».

Спицы применяются для соединения обода с втулкой. Чаще всего спицы изготавливают из стали, титана или алюминиевых сплавов. В настоящее время выделяют несколько видов спиц, которые имеют отличие в геометрии поперечного сечения. Раньше на колесах большинства велосипедов было 36 спиц. Сейчас же количество спиц сократилось до 32, так как сами спицы стали изготавливать из более прочного материала. Иногда спицы вообще отсутствуют в конструкциях колеса- дисковые колеса, или их количество сведено к минимуму.

Втулка состоит из оси и пары подшипников. Втулка соединена с ободом при помощи спиц. С помощью оси все колесо прикрепляется к раме. Что касается передней втулки, то она не имеет дополнительных узлов. А вот конструкция задней втулки может быть усложнена добавлением тормозного барабана или частью системы переключения передач. Кроме того, задняя втулка обязательно имеет узел крепления зубчатой передачи, ведомой звездочки.

Ну вот, мы разобрали строение колеса и познакомились с его составными частями. Зная, с чем мы имеем дело, нам теперь легче предотвращать ненужные неприятности.

Читайте также:  Как снять ручки с велосипеда

Равномерное движение тела по окружности

1. Движением тела по окружности называют движение, траекторией которого является окружность. По окружности движутся, например, конец стрелки часов, точки лопасти вращающейся турбины, вращающегося вала двигателя и др.

При движении по окружности направление скорости непрерывно изменяется. При этом модуль скорости тела может изменяться, а может оставаться неизменным. Движение, при котором изменяется только направление скорости, а её модуль сохраняется постоянным, называется равномерным движением тела по окружности. Под телом в данном случае имеют в виду материальную точку.

2. Движение тела по окружности характеризуется определёнными величинами. К ним относятся, прежде всего, период и частота обращения. Период обращения тела по окружности ​ ( T ) ​ — время, в течение которого тело совершает один полный оборот. Единица периода — ​ ( [,T,] ) ​ = 1 с.

Частота обращения ​ ( (n) ) ​ — число полных оборотов тела за одну секунду: ​ ( n=N/t ) ​. Единица частоты обращения — ( [,n,] ) = 1 с -1 = 1 Гц (герц). Один герц — это такая частота, при которой тело совершает один оборот за одну секунду.

Связь между частотой и периодом обращения выражается формулой: ​ ( n=1/T ) ​.

Пусть некоторое тело, движущееся по окружности, за время ​ ( t ) ​ переместилось из точки А в точку В. Радиус, соединяющий центр окружности с точкой А, называют радиусом-вектором. При перемещении тела из точки А в точку В радиус-вектор повернётся на угол ​ ( varphi ) ​.

Быстроту обращения тела характеризуют угловая и линейная скорости.

Угловая скорость ​ ( omega ) ​ — физическая величина, равная отношению угла поворота ( varphi ) радиуса-вектора к промежутку времени, за которое этот поворот произошел: ​ ( omega=varphi/t ) ​. Единица угловой скорости — радиан в секунду, т.е. ​ ( [,omega,] ) ​ = 1 рад/с. За время, равное периоду обращения, угол поворота радиуса-вектора равен ​ ( 2pi ) ​. Поэтому ​ ( omega=2pi/T ) ​.

Линейная скорость тела ​ ( v ) ​ — скорость, с которой тело движется вдоль траектории. Линейная скорость при равномерном движении по окружности постоянна по модулю, меняется по направлению и направлена по касательной к траектории.

Линейная скорость равна отношению пути, пройденному телом вдоль траектории, ко времени, за которое этот путь пройден: ​ ( vec=l/t ) ​. За один оборот точка проходит путь, равный длине окружности. Поэтому ​ ( vec=2pi!R/T ) ​. Связь между линейной и угловой скоростью выражается формулой: ​ ( v=omega R ) ​.

Из этого равенства следует, что чем дальше от центра окружности расположена точка вращающегося тела, тем больше её линейная скорость.

4. Ускорение тела равно отношению изменения его скорости ко времени, за которое оно произошло. При движении тела по окружности изменяется направление скорости, следовательно, разность скоростей не равна нулю, т.е. тело движется с ускорением. Оно определяется по формуле: ​ ( vec=frac>) ​ и направлено так же, как вектор изменения скорости. Это ускорение называется центростремительным ускорением.

Центростремительное ускорение при равномерном движении тела по окружности — физическая величина, равная отношению квадрата линейной скорости к радиусу окружности: ​ ( a=frac ) ​. Так как ​ ( v=omega R ) ​, то ​ ( a=omega^2R ) ​.

При движении тела по окружности его центростремительное ускорение постоянно по модулю и направлено к центру окружности.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. При равномерном движении тела по окружности

1) изменяется только модуль его скорости
2) изменяется только направление его скорости
3) изменяются и модуль, и направление его скорости
4) не изменяется ни модуль, ни направление его скорости

2. Линейная скорость точки 1, находящейся на расстоянии ​ ( R_1 ) ​ от центра вращающегося колеса, равна ​ ( v_1 ) ​. Чему равна скорость ​ ( v_2 ) ​ точки 2, находящейся от центра на расстоянии ​ ( R_2=4R_1 ) ​?

1) ​ ( v_2=v_1 ) ​
2) ​ ( v_2=2v_1 ) ​
3) ​ ( v_2=0,25v_1 ) ​
4) ​ ( v_2=4v_1 ) ​

3. Период обращения точки по окружности можно вычислить по формуле:

1) ​ ( T=2pi!Rv ) ​
2) ( T=2pi!R/v ) ​
3) ( T=2pi v ) ​
4) ( T=2pi/v ) ​

4. Угловая скорость вращения колеса автомобиля вычисляется по формуле:

1) ​ ( omega=a^2R ) ​
2) ( omega=vR^2 ) ​
3) ( omega=vR )
4) ( omega=v/R ) ​

5. Угловая скорость вращения колеса велосипеда увеличилась в 2 раза. Как изменилась линейная скорость точек обода колеса?

1) увеличилась в 2 раза
2) уменьшилась в 2 раза
3) увеличилась в 4 раза
4) не изменилась

6. Линейная скорость точек лопасти винта вертолёта уменьшилась в 4 раза. Как изменилось их центростремительное ускорение?

1) не изменилось
2) уменьшилось в 16 раз
3) уменьшилось в 4 раза
4) уменьшилось в 2 раза

7. Радиус движения тела по окружности увеличили в 3 раза, не меняя его линейную скорость. Как изменилось центростремительное ускорение тела?

1) увеличилось в 9 раз
2) уменьшилось в 9 раз
3) уменьшилось в 3 раза
4) увеличилось в 3 раза

8. Чему равен период обращения коленчатого вала двигателя, если за 3 мин он совершил 600 000 оборотов?

1) 200 000 с
2) 3300 с
3) 3·10 -4 с
4) 5·10 -6 с

9. Чему равна частота вращения точки обода колеса, если период обращения составляет 0,05 с?

1) 0,05 Гц
2) 2 Гц
3) 20 Гц
4) 200 Гц

10. Линейная скорость точки обода велосипедного колеса радиусом 35 см равна 5 м/с. Чему равен период обращения колеса?

1) 14 с
2) 7 с
3) 0,07 с
4) 0,44 с

11. Установите соответствие между физическими величинами в левом столбце и формулами для их вычисления в правом столбце. В таблице под номером физической
величины левого столбца запишите соответствующий номер выбранной вами формулы из правого столбца.

Читайте также:  Как натянуть цепь на велосипеде

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
А) линейная скорость
Б) угловая скорость
В) частота обращения

ФОРМУЛА
1) ​ ( 1/T ) ​
2) ​ ( v^2/R ) ​
3) ​ ( v/R ) ​
4) ​ ( omega R ) ​
5) ​ ( 1/n ) ​

12. Период обращения колеса увеличился. Как изменились угловая и линейная скорости точки обода колеса и её центростремительное ускорение. Установите соответствие между физическими величинами в левом столбце и характером их изменения в правом столбце.
В таблице под номером физической величины левого столбца запишите соответствующий номер выбранного вами элемента правого столбца.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) угловая скорость
Б) линейная скорость
B) центростремительное ускорение

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ
1) увеличилась
2) уменьшилась
3) не изменилась

Часть 2

13. Какой путь пройдёт точка обода колеса за 10 с, если частота обращения колеса составляет 8 Гц, а радиус колеса 5 м?

Основные понятия кинематики. Относительность движения (практика)

Урок 2. Подготовка к ЕГЭ по физике. Часть 1. Механика.

Конспект урока «Основные понятия кинематики. Относительность движения (практика)»

В данной теме будет рассмотрено решение некоторых типовых задач по кинематике.

Задача 1. Велосипедист движется по прямолинейному гладкому участку дороги. Каковы траектории движения относительно велосипедиста и относительно стоящего на обочине человека рамы велосипеда; точки на ободе колеса; точки на конце педали?

Начнем с определения вида траектории рамы велосипеда. Здесь все очень просто: так как относительно велосипедиста рама неподвижна, то траекторией ее движения будет являться точка.

Относительно же человека, стоящего на обочине дороги, рама будет двигаться прямолинейно, «вычерчивая» в воздухе прямую линию.

Теперь исследуем движение точки, располагающейся на ободе колеса, относительно велосипедиста. Представьте, что вы сели на велосипед, приметили положение ниппеля на переднем колесе и не спеша надавили на педаль, не выпуская ниппель из поля зрения. Какую траекторию описывает ниппель.

Точка, располагающаяся на ободе колеса, относительно велосипедиста, описывает окружность. Аналогично будет себя вести и точка, находящаяся на конце педали

Теперь разберемся с траекторией движения точки на ободе колеса, относительно человека, стоящего на обочине. Вновь обратимся к мысленному эксперименту. Мы стоим на обочине, а мимо нас проезжает велосипедист. Зафиксировали взгляд на какой-либо точке колеса (пусть это будет, например, светоотражатель на конце спицы) и проследим за ее траекторией.

Получаются кривые, которые принадлежат семейству циклоид. Значит траекторией движения точки на ободе колеса относительно неподвижного человека на обочине является циклоида.

Траекторией движения точки на конце педали относительно неподвижного человека на обочине будет являться удлиненная циклоида.

Задача 2. Можно ли принять Землю за материальную точку при расчете: а) расстояния от Земли до Солнца; б) пути, пройденного Землей по орбите вокруг Солнца за месяц; в) длины экватора и г) скорости движения Земли по орбите вокруг Солнца?

Тело можно принять за материальную точку, если:

1) тело движется поступательно;

2) размеры тела много меньше расстояния, которое оно проходит;

3) размеры тела много меньше расстояния до тела отсчета.

Рассмотрим вариант а более подробно. Для это проверим выполнение выше названных условий. Согласно первому условию, тело должно двигаться поступательно. Для этого случая оно не выполняется, так как о движении Земли в условии задачи ничего не говорится. Второе условие материальной точки также не выполняется, так как не известно расстояние, пройденное Землей. По третьему условию размеры тела должны быть намного меньше расстояния до тела отсчета. В данном случае, тело отсчета — это Солнце. Среднее расстояние от Земли до Солнца составляет 149,6 миллионов км, а средний радиус нашей планеты всего 6371 км, что, конечно же, намного меньше среднего расстояния до Солнца.

Следовательно, в первом примере Землю можно принять за материальную точку, так как выполняется третье условие.

Во втором примере Землю можно принять за МТ, т. к. ее размеры много меньше расстояния, которое она проходит по орбите за месяц.

В примере «в» Землю нельзя считать МТ, т. к. при расчете длины экватора Земли нельзя пренебречь ее размерами.

В последнем примере Землю можно считать МТ, т. к. размеры Земли (радиус 6371 км) во много раз меньше расстояния до Солнца (149,6 млн. км).

Задача 3. На рисунке указаны положения точек А, О, В, С и направление оси Х. Перерисуйте рисунок и определите координаты точек, если: а) за начало отсчета принята точка О; б) за начало отсчета принята точка В.

Задача 4. Мяч вертикально упал с высоты 3 м, отскочил от пола и был пойман на высоте 1 м. Сделайте чертеж. Найдите путь и модуль перемещения мяча.

«Упражнение, друзья, даёт больше,

Виртуальная лаборатория ВиртуЛаб

Виртуальные работы можно демонстрировать в классе во время лекции как дополнение к лекционным материалам.

Равномерное движение тела по окружности

1. Достаточно часто можно наблюдать такое движение тела, при котором его траекторией является окружность. По окружности движется, например, точка обода колеса при его вращении, точки вращающихся деталей станков, конец стрелки часов, ребенок, сидящий на какой‑либо фигуре вращающихся каруселей.

При движении по окружности может изменяться не только направление скорости тела, но и ее модуль. Возможно движение, при котором изменяется только направление скорости, а ее модуль остается постоянным. Такое движение называют равномерным движением тела по окружности. Введем характеристики этого движения.

2. Движение тела по окружности повторяется через определенные промежутки времени, равные периоду обращения.

Читайте также:  Сколько человек могут ехать на одном велосипеде

Периодом обращения называют время, в течение которого тело совершает один полный оборот.

Период обращения обозначают буквой T. За единицу периода обращения в СИ принята секунда (1 с).

Если за время t тело совершило N полных оборотов, то период обращения равен:

Частотой обращения называют число полных оборотов тела за одну секунду.

Частоту обращения обозначают буквой n.

За единицу частоты обращения в СИ принята секунда в минус первой степени (1 с– 1 ).

Частота и период обращения связаны следующим образом:

3. Рассмотрим величину, характеризующую положение тела на окружности. Пусть в начальный момент времени тело находилось в точке A, а за время t оно переместилось в точку B (рис. 38).

Проведем радиус‑вектор из центра окружности в точку A и радиус‑вектор из центра окружности в точку B. При движении тела по окружности радиус‑вектор повернется за время t на угол j. Зная угол поворота радиуса‑вектора, можно определить положение тела на окружности.

Единица угла поворота радиуса‑вектора в СИ — радиан (1 рад).

При одном и том же угле поворота радиуса‑вектора точки A и B, находящиеся на разных расстояниях от его центра равномерно вращающегося диска (рис. 39), пройдут разные пути.

4. При движении тела по окружности мгновенную скорость называют линейной скоростью.

Линейная скорость тела, равномерно движущегося по окружности, оставаясь постоянной по модулю, меняется по направлению и в любой точке направлена по касательной к траектории.

Модуль линейной скорости можно определить по формуле:

Пусть тело, двигаясь по окружности радиусом R, совершило один полный оборот, Тогда пройденный им путь равен длине окружности: l = 2pR, а время равно периоду обращения T. Следовательно, линейная скорость тела:

Поскольку T = , то можно записать

Быстроту обращения тела характеризуют угловой скоростью.

Угловой скоростью называют физическую величину, равную отношению угла поворота радиуса-вектора к промежутку времени, за которое этот поворот произошел.

Угловая скорость обозначается буквой w.

w = .

За единицу угловой скорости в СИ принимают радиан в секунду (1 рад/с):

За время, равное периоду обращения T, тело совершает полный оборот и угол поворота радиуса-вектора j = 2p. Поэтому угловая скорость тела:

Линейная и угловая скорости связаны друг с другом. Запишем отношение линейной скорости к угловой:

При одинаковой угловой скорости точек A и B, расположенных на равномерно вращающемся диске (см. рис. 39), линейная скорость точки A больше линейной скорости точки B: vA > vB.

5. При равномерном движении тела по окружности модуль его линейной скорости остается постоянным, а направление скорости меняется. Поскольку скорость — величина векторная, то изменение направления скорости означает, что тело движется по окружности с ускорением.

Выясним, как направлено и чему равно это ускорение.

Напомним, что ускорение тела определяется по формуле:

где Dv — вектор изменения скорости тела.

Направление вектора ускорения a совпадает с направлением вектора Dv.

Пусть тело, движущееся по окружности радиусом R, за ма-лый промежуток времени t переместилось из точки A в точку B (рис. 40). Чтобы найти изменение скорости тела Dv, в точку Aперенесем параллельно самому себе вектор v и вычтем из него v, что равноценно сложению вектора v с вектором –v. Вектор, направленный от v к v, и есть вектор Dv.

Рассмотрим треугольники AOB и ACD. Оба они равнобедренные (AO = OB и AC = AD, поскольку v = v) и имеют равные углы: _AOB = _CAD (как углы со взаимно перпендикулярными сторонами: AO B v, OB B v). Следовательно, эти треугольники подобны и можно записать отношение соответствующих сторон: = .

Поскольку точки A и B расположены близко друг к другу, то хорда AB мала и ее можно заменить дугой . Длина дуги — путь, пройденный телом за время t с постоянной скоростью v: AB = vt.

Откуда ускорение тела

Из рисунка 40 видно, что чем меньше хорда AB, тем точнее направление вектора Dv совпадает с радиусом окружности. Следовательно, вектор изменения скорости Dv и вектор ускорения aнаправлены по радиусу к центру окружности. Поэтому ускорение при равномерном движении тела по окружности называют центростремительным.

при равномерном движении тела по окружности его ускорение постоянно по модулю и в любой точке направлено по радиусу окружности к ее центру.

Учитывая, что v = wR, можно записать другую формулу центростремительного ускорения:

6. Пример решения задачи

Частота обращения карусели 0,05 с– 1 . Человек, вращающийся на карусели, находится на расстоянии 4 м от оси вращения. Определите центростремительное ускорение человека, период обращения и угловую скорость карусели.

Центростремительное ускорение равно:

Период обращения: T = .

Угловая скорость карусели: w = 2pn.

a = 4•(3,14) 2• (0,05с– 1 ) 2 •4 м 0,4 м/с 2 ;

w = 2•3,14•0,05 с– 1 0,3 рад/с.

Ответ: a 0,4 м/с 2 ; T = 20 с; w 0,3 рад/с.

Вопросы для самопроверки

1. Какое движение называют равномерным движением по окружности?

2. Что называют периодом обращения?

3. Что называют частотой обращения? Как связаны между собой период и частота обращения?

4. Что называют линейной скоростью? Как она направлена?

5. Что называют угловой скоростью? Что является единицей угловой скорости?

6. Как связаны угловая и линейная скорости движения тела?

7. Как направлено центростремительное ускорение? По какой формуле оно рассчитывается?

1. Чему равна линейная скорость точки обода колеса, если радиус колеса 30 см и один оборот она совершает за 2 с? Чему равна угловая скорость колеса?

2. Скорость автомобиля 72 км/ч. Каковы угловая скорость, частота и период обращения колеса автомобиля, если диаметр колеса 70 см? Сколько оборотов совершит колесо за 10 мин?

3. Чему равен путь, пройденный концом минутной стрелки будильника за 10 мин, если ее длина 2,4 см?

4. Каково центростремительное ускорение точки обода колеса автомобиля, если диаметр колеса 70 см? Скорость автомобиля 54 км/ч.

5. Точка обода колеса велосипеда совершает один оборот за 2 с. Радиус колеса 35 см. Чему равно центростремительное ускорение точки обода колеса?

Ссылка на основную публикацию