[科普中国]-骑自行车爬坡时，为什么走“S”形更省力？

骑自行车是一种低碳环保的出行方式，当在骑行途中遇到爬坡路段时，会非常吃力。如果所骑的是普通自行车，可以采用“S”形路线的骑行方式，让骑行变得轻松一些。那么，这其中蕴含着什么原理呢？

从做功的角度来看，坡作为物理学中的斜面模型，如同杠杆、滑轮一样，可以起到省力的作用。以杠杆为例，动力臂的长度是阻力臂的几倍，就能达到几倍的省力效果，而同样对于光滑斜面来说，斜面长度是高度的几倍，就能达到几倍的省力效果。也就是说根据斜面原理，斜度越小或者斜面越长，则越省力。

为什么斜度越小越省力呢？因为当物体处于斜面上时，其中一部分重力会由斜面承担。由图1和图2可以看出，物体的重力竖直向下，重力可分解为两个相互垂直的分力：一个平行于斜面，另一个则垂直于斜面。垂直于斜面的分力完全由斜面承担，无需其他的力进行作用。也就是说，斜面能够承担物体一部分重力，而且斜度越小，斜面所能承担的物体重力越大。当斜面的斜度为零时，此时的斜面就变成了水平面，垂直于斜面的力会达到最大值，即等于物体的全部重力。当把物体从斜面底部向上推动时，共需要克服两个力：一个是平行于斜面向下的分力，另一个是物体与斜面之间的摩擦力。这两个作用力要比物体自身的重力要小，所以推动物体向上行进会比垂直抬动更为省力。

“S”形爬坡就是利用了斜面的特性，达到了省力的目的。但“S”形爬坡也有一定的缺点，那就是费时和做功多。相比于直线爬坡，“S”形爬坡的路程变长了，在增速不多的情况下也就增加了爬坡的时间，同时又要克服摩擦力做功，因此爬坡所做的功也相应增加了。

日常生活中使用的许多工具如斧头、小刀、螺丝、螺母，还有盘山公路等也都是利用了斜面省力的原理。

本文由北京市第六十五中学一级教师 胡晓艳进行科学性把关。

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