汽車安全行駛，誰最給“力”

李泓宇

摘 要：汽車作為一種快捷、實用、貼近大眾生活的交通工具，受到了現(xiàn)代人的青睞。汽車在設(shè)計和制造過程中，離不開物理學(xué)一個重要分支——力學(xué)。摩擦力是阻礙物體相對運動的力。汽車行進時需要摩擦力，制動系統(tǒng)系統(tǒng)也需要摩擦力。那么，摩擦力在汽車幾大系統(tǒng)中是如何被應(yīng)用的呢？

關(guān)鍵詞：摩擦力；汽車動力系統(tǒng)；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；制動系統(tǒng)

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9132（2018）06-0155-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2018.06.098

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟日益發(fā)達，汽車制造業(yè)蓬勃發(fā)展，而在汽車的設(shè)計和制造過程中都離不開物理學(xué)中一個重要分支——力學(xué)。筆者著重從汽車動力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)方面談?wù)勀Σ亮Φ膽?yīng)用。

一、汽車前進的動力問題：摩擦力在汽車前進中所起的作用

人們通常以為，汽車能在道路上行駛，最大的功臣莫過于汽車的“心臟”——發(fā)動機，只要發(fā)動機有牽引力，汽車便可自由行駛。站在物理學(xué)角度分析，這種觀念是片面的。原因眾所周知，從物理學(xué)方面而言無論多大的內(nèi)動力，都不能直接改變物體的運動狀態(tài)。例如，我們把一輛汽車吊起來，使之四輪懸空，然后發(fā)動汽車，這時你會發(fā)現(xiàn)，不論如何加大動力，也就是無論如何踩油門，車輪都只是空轉(zhuǎn)，車身并不能前進。如果想讓一輛靜止的汽車改變靜止狀態(tài)為運動狀態(tài)，必須得對它施加一定的外力，也就是物理學(xué)上常說的，必須得有一個不是汽車本身施加的力作用到汽車身上。這個外力，不是別的，就是物理學(xué)上一種很常見的作用力，即與汽車前進方向相反的一種力——地面給予這輛汽車的摩擦力。那么，這個方向向前的摩擦力是怎么形成的呢？它在汽車前進中又起著什么作用呢？

汽車發(fā)動機的轉(zhuǎn)動通過傳動系統(tǒng)傳遞到車輪上，使車輪轉(zhuǎn)動。假設(shè)當發(fā)動機工作時，只是驅(qū)動后車輪轉(zhuǎn)動。這個時候，輪胎外圍與路面有相對向后的運動趨勢，此時，輪胎受到了地面給予它的向前的摩擦力。這個方向朝前的摩擦力幫助汽車克服了行駛時的阻力，致使汽車得以順利向前行駛。在汽車的四個車輪中，位于車體前面的兩個車輪是從動輪（四驅(qū)車除外），汽車發(fā)動時，呈現(xiàn)出向前的運動趨，此時它的運動方向相對于路面而言是向前的，摩擦力恰恰與驅(qū)動力方向相反——相對于地面而言，摩擦力的方向是向后的，這也就是物理學(xué)上的阻力。汽車在這兩種力的作用下，完成向前行駛的動作。所以，汽車由靜止狀態(tài)達到運行狀態(tài)，發(fā)動機給予的動力與地面給予的摩擦力，是缺一不可的，否則汽車不會產(chǎn)生運動。

二、汽車轉(zhuǎn)向的安全問題：摩擦力在汽車轉(zhuǎn)彎時所起的作用

在現(xiàn)實生活中，汽車在改變運動路線（此處只論證轉(zhuǎn)彎）時，一般情況下，操作員會選擇降低車速，否則極易在轉(zhuǎn)彎時造成車輛側(cè)翻事故。如果我們將汽車的轉(zhuǎn)彎運動看作車輛在做圓周運動的過程，那么在路況良好的城市道路上轉(zhuǎn)彎時，有輪胎和地面間側(cè)向靜摩擦力提供向心力。車輛轉(zhuǎn)彎的速度越大，其需要的向心力就越大，出現(xiàn)側(cè)翻或滑出路道路事故的幾率就越大。

假定汽車以最快速度做勻速圓周運動，此時便需要有指向圓心的向心力作用，這個向心力從何而來？從物理學(xué)方面思考，這個向心力，需由車輪受到的靜摩擦力提供。而靜摩擦力的數(shù)值是在零和最大值之間變化的，所以，轉(zhuǎn)彎時汽車的速度只有維持在一個相應(yīng)的范圍，才能保證汽車在轉(zhuǎn)彎時車體平穩(wěn)地沿道路彎度行駛。如果速度過快，汽車運動的向心力高于最大靜摩擦力，汽車就會側(cè)翻或沖出彎道的外沿，造成事故。因此，在過彎道時我們需要充分考慮彎道彎度大小、地面坡度、粗糙程度等因素，適時調(diào)整前進速度，保證安全順利通過彎道?？傊Σ亮υ谄嚨霓D(zhuǎn)向系統(tǒng)中起著不容忽視的作用。

三、汽車制動的問題：摩擦力在汽車剎車時所起的作用

汽車制動系統(tǒng)的作用是使行駛中的汽車根據(jù)路況或操作員自身的需求降低速度甚至停車。汽車制動時，駕駛員踩下制動踏板，使得摩擦片緊壓在隨車輪旋轉(zhuǎn)的制動盤上。此時，固定在車體上的摩擦片就會對本來旋轉(zhuǎn)著的制動盤產(chǎn)生一個摩擦力矩，這個摩擦力的方向與車輪運動的方向是相反的。本來，車輪與路面之間存在著一定的向后的摩擦力（反作用力），摩擦力矩通過車輪和地面之間形成一個方向向前的摩擦力。這樣，這個反作用的摩擦力就變成了汽車的制動力。

在生活中或影視作品中，我們常會看到，交警在勘測交通事故現(xiàn)場時，手拿卷尺丈量事故車輛留在地面上的剎車痕跡的長度，這個長度是勘定事故時一個重要的參考指標。事實上，但凡在路面上留下很長一段、連續(xù)性剎車痕跡的車輛，其操作員的剎車方法都是存在一定問題的——沒有認識和最大限度地利用靜摩擦力，導(dǎo)致剎車距離較長，形成“腳踩香蕉皮，滑到哪里是哪里”的危險局面，最終導(dǎo)致事故的發(fā)生，害人害己。那么，是否有更好的制動方式呢？有經(jīng)驗的操作員都知道，點剎法，是一種安全且有效的剎車方法。其原理即保持車輪與地面之間的摩擦力始終為靜摩擦力，快速地踩、放、踩、放剎車。一方面充分利用剎車制動裝置的“內(nèi)摩擦”使車輪轉(zhuǎn)速迅速下降，另一方面反復(fù)利用輪胎跟地面的靜摩擦力就能使汽車更快地減速，并保持能讓汽車轉(zhuǎn)向的能力。

站在能量轉(zhuǎn)換的角度分析，采取一剎到底的方法，即車輪被抱死，汽車完全用來克服輪胎跟地面間的滑動摩擦力做功。采取點剎時，汽車的動能主要消耗在剎車裝置的內(nèi)部，輪胎跟地面仍保持不滑動，所以輪胎與地面之間始終為靜摩擦。由于f靜>f動，所以剎車距離也就小了。

為了防止操作員因“一剎到底”而導(dǎo)致事故，目前多數(shù)汽車安裝了“防抱死剎車裝置（ABS）”。裝有ABS的汽車能對車輪的運動進行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)車輪發(fā)生抱死時（此時為滑動摩擦），汽車的行車電腦（ECU）會立即發(fā)出指令，放松剎車，摩擦片高速點動制動盤，使車輪不會與地面發(fā)生劇烈滑動摩擦，從而使汽車在整個過程中最大限度地利用靜摩擦力，減小剎車距離，進而達到安全有效的剎車目的。

參考文獻：

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