【給父母的科普知識私藏包】腳踏車為什麼會前進?

2020.01.01 (更新 2020.03.19)

by 胡妙芬 (親子天下小行星)

【給父母的科普知識私藏包】腳踏車為什麼會前進?

插畫|呼拉王

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學會騎腳踏車是小朋友最開心的事情之一,想騎得更快或更省力,背後和齒輪有著大大的關係呢!

騎腳踏車,是孩子們必經的「成年禮」。以下是本期「小小探索家」單元〈腳踏車為什麼會前進?〉的知識私藏包,提供給您與孩子分享。

Q1:妙妙喵說,腳踏車煞車時,煞車片(煞車皮)會把車輪夾住,讓車速變慢;為什麼煞車時,車子經常發出「吱吱吱」的怪叫聲呢?

A:在正常情況下,煞車片是夾住車輪的輪框,而不是輪胎皮;利用煞車片和輪框之間的摩擦力,讓速度慢下來。

但是,如果煞車片上沾到異物,或是煞車片的角度歪掉,和輪框之間沒有辦法貼合,一煞車就可能會發出「吱吱吱」的怪叫聲。要記得,如果聽到煞車發出怪叫聲,一定要趕快跟大人說,請大人把車送到腳踏車行修理或更換,因為煞車好壞關乎安全問題;你是我們的心肝寶貝,一切以安全最重要!

Q2:妙妙喵說,三角形、四方形車輪的車子,在平地上根本騎不動!為什麼呢?

A:我們舉一個邊長五十公分的「正方形」車輪來當例子說明好了。車輪的軸心是在正方形的正中心,那麼你想想看,當輪子先以四個「邊」著地的時候,輪軸離地高度是多少?答案是邊長的一半──二十五公分。如果車輪要往前,必須要換成正方形的「角」著地,輪軸離地的高度會變成對角線的一半──大約三十五公分,等於你往前時,必須讓整輛車的重量(包括車子和你自己的體重)提高十公分! 這種車就算是大力士也踩不動! 三角形車輪也是同樣的道理。

好吧, 就算你把車輪稍做修改, 修圓輪子的邊和角, 再加上引擎, 用強大的馬力驅動車子,車輪會不斷的以邊、角、邊、角、邊、角……向前轉動, 輪心的高度會一下子二十五公分、一下子三十五公分、二十五、三十五、二十五、三十五……上下顛簸得非常厲害! 要不了多久,你不是屁股開花,就是暈車想吐,有誰會想騎這種腳踏車呢?

所以,如果我們希望車輪平穩前進,不要忽高忽低,就該選擇車輪邊緣到輪心的距離永遠一樣的形狀,這種形狀就是──圓形 ! 圓周上的每一個點到圓心的距離永遠相同,所以圓形車輪才是最完美的車輪形狀。

Q3:隔壁鄰居的小朋友新買了一輛變速車,變速車是什麼?跟我的腳踏車有什麼不一樣?

A:有喔有喔,平常我們騎平地時不會覺得不同,但是要挑戰騎上斜坡的時候,就會恨不得自己的腳踏車是變速車,為什麼呢?請你耐心聽我解釋。

在《小行星》月刊中妙妙喵不是提到,腳踏車前進,是由「前」齒輪和鏈條帶動「後」齒輪嗎?變速車的差別就在後齒輪上。

普通腳踏車只有一個後齒輪,所以不能變速;但是兩段變速的腳踏車,有兩個不同大小的後齒輪;三段變速的車,有三個不同大小的後齒輪;四段變速的車,有四個不同大小的後齒輪……以此類推。當你想要車速快一點或是騎起來省力一點,只要調整變速器,腳踏車就會把鏈條換套在不同的齒輪上,藉此改變腳踏車的表現。

通常,如果你想要車速快一點,就通過變速器把鏈條調到比較小的後齒輪上,怎麼說呢? 假設前齒輪是「十六齒」,後齒輪有「四齒」、「八齒」、「十六齒」三個選擇好了;我們踩一圈,「十六齒」的前齒輪轉一圈時,會帶動「四齒」的後齒輪轉四圈、「八齒」的轉兩圈、「十六齒」的只轉一圈;想想看,哪一個快? 當然是最小的「四齒」齒輪嘍! 所以,當我們想要踩一圈、車輪就自動快轉很多圈的時候,把鏈條切換到小一點的後齒輪就行了! 只是,天下沒有白吃的午餐,這時候,你要更用力踩腳踏板,因為要踩動小齒輪,我們需要更費力。

如果我們想省力,車速慢一點也沒關係的時候呢? 那就把鏈條切換到大齒輪上,這時候踩起來很輕鬆,只是感覺你得踩很多圈,腳踏車才前進一點點……所以,聰明使用變速車的方法,就是在平地的時候採用「快」一點的模式,在上坡時採用「省力」一點的模式,畢竟有時候斜坡太陡了,不切換到省力模式,光靠我們的腳力根本上不去啊 !

Q4:為什麼磁鐵能吸住冰箱門的鐵,卻不能吸住紙、塑膠、玻璃、布料或其他金屬呢?

A:有磁性的磁鐵,是具有「永久磁性」的;而要能被磁鐵吸住的東西,至少要具有「暫時磁性」。怎麼說呢?

磁鐵內的磁性分子(或帶有磁性的小單位,以下稱為小磁鐵)平常是整齊排列的,頭尾兩端的磁性最強,一邊是N極,一邊是S極;相反的,冰箱鐵板裡的小磁鐵是零亂排列的,所以磁力互相抵消,平常是沒有磁性的。但是,一旦磁鐵的一端(假設N極)靠近鐵板,會把鐵板小磁鐵的S極都吸引過來,使得原本零亂排列的小磁鐵們,都變成整齊排列,磁鐵和鐵板就「異性相吸」,「叩」一聲吸在一起嘍!

鐵、鈷、鎳都具有這種特性,可以成為「暫時磁鐵」;但只要把磁鐵拿開,暫時磁鐵就會失去磁性。相反的,紙、塑膠、玻璃或其他材質內部的磁性小單位,沒有辦法隨便移動位置,所以無論磁鐵靠得多近,它們也不會變出磁性來,自然就不受磁鐵的吸引了。

Q5:磁鐵的磁力會不會變弱或消失呢?

A:雖然叫「永久磁鐵」,但是並不代表它的磁力永遠不會減弱或消失呵! 常見的黑色磁鐵如果被加熱或被用力敲到,它內部原本整齊排列的磁性小單位,就可能亂跑、亂動,而使得磁力互相抵消,甚至不見。所以下次開關冰箱門請小心,別太用力把冰箱門上的磁鐵敲掉,敲久了,以後就會慢慢失去磁力喔!

作者簡介|胡妙芬

臺大動物研究所碩士,兒童科普教育領域教學專家,兒童科學網站「科學小芽子」站長,兒童科普、動物作家。

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