物理學(xué)在交通工具中的應(yīng)用

向芮岑

摘 要：交通工具的發(fā)展和變革離不開物理學(xué)的進(jìn)步。其中汽車更是現(xiàn)代人們生活中最常用到的交通工具，汽車中用到了大量的物理學(xué)知識(shí)，但是人們對(duì)此了解甚少。本文以汽車為例，研究了物理學(xué)在交通工具中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：透鏡；摩擦力；發(fā)光原理；發(fā)動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào)：TP2；G63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）13-0213-01

物理學(xué)作為一門自然科學(xué)，歷史悠久。物理學(xué)的發(fā)展不僅推動(dòng)了人們對(duì)自然的認(rèn)識(shí)，更推動(dòng)了物質(zhì)文明的進(jìn)步。從蒸汽機(jī)車到汽車再到現(xiàn)代社會(huì)的飛機(jī)和高鐵，無不與物理學(xué)的進(jìn)步息息相關(guān)。其中，汽車是人們生活中最常用到的交通工具，它極大的提高了出行效率，使生活更加便利。汽車中用到了大量的物理學(xué)知識(shí)，本文主要以汽車為例，研究交通工具中用到的物理學(xué)。

1 汽車中的透鏡和反射鏡

汽車中的透鏡和反射鏡[1]主要存在于三個(gè)地方：車燈、后視鏡和車窗。

車燈中的反光碗是一個(gè)凹反鏡，車燈燈泡位于凹反鏡的焦點(diǎn)附近。拋物面凹反鏡可以將透過其焦點(diǎn)的光反射為平行光。球面鏡嚴(yán)格而言不具有單一焦點(diǎn)，不能將透過其焦點(diǎn)的光反射為平行光，但若只考慮近軸光線，球面鏡可近似為拋物面鏡，再加上球面鏡工藝簡(jiǎn)單，因此車燈中的反光碗大多為球面鏡。車燈玻璃燈罩可以看作凹透鏡和棱鏡的組合：凹透鏡可以將經(jīng)反光碗反射形成的平行光發(fā)散以照亮更廣闊的范圍，棱鏡的存在可以使車燈光線更加均勻柔和，同時(shí)棱鏡將一部分光向上折射，以便照明路標(biāo)。汽車的后視鏡主要有內(nèi)后視鏡和外后視鏡，內(nèi)后視鏡一般采用平面鏡，外后視鏡一般為凸反鏡。相對(duì)于平面鏡，凸反鏡可以提供更加廣闊的視野，更大程度的提高行車安全。

車窗玻璃多為雙向鏡，有時(shí)也稱為單面透視玻璃。其本質(zhì)為具有較高反射率的鏡面，且兩面的反射率和透射率等光學(xué)性質(zhì)相同，但由于車內(nèi)光亮度遠(yuǎn)低于車外的光亮度，故車外的人只能看見自己的影像而車內(nèi)的人可以看見車外的狀況。

2 汽車中的摩擦力

汽車的加減速、行駛和變向離不開摩擦力的作用。汽車受到的摩擦力包括靜摩擦力、滾動(dòng)摩擦力、空氣阻力和滑動(dòng)摩擦力。

汽車加減速時(shí)輪胎與地面間的靜摩擦力將汽車的動(dòng)力轉(zhuǎn)化為汽車向前或向后行進(jìn)的動(dòng)能，靜摩擦力在此過程中不做功，只起到能量轉(zhuǎn)變的作用[2]。汽車在勻速行駛時(shí)不受靜摩擦力，但是受到地面對(duì)輪胎的滾動(dòng)摩擦阻力以及空氣阻力。當(dāng)汽車速度較低時(shí)，滾動(dòng)摩擦力是汽車受到的主要阻力，當(dāng)汽車速度過快比如賽車比賽時(shí)的速度，空氣阻力將是主要阻力。剎車系統(tǒng)主要分為鼓式剎車和盤式剎車，其都是利用剎車系統(tǒng)產(chǎn)生的強(qiáng)大滑動(dòng)摩擦力使汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)而通過輪胎與地面間的靜摩擦力降低車速。若剎車時(shí)用力過猛，容易使輪胎抱死，這時(shí)輪胎與地面間的摩擦力由滾動(dòng)摩擦和靜摩擦力變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦力，而滑動(dòng)摩擦力的方向與汽車速度方向相反，此時(shí)若地面不平整，輪胎不能提供足夠的側(cè)向力抵消汽車重力的側(cè)向分力，從而發(fā)生側(cè)滑。若前輪抱死，由于輪胎與地面間的靜摩擦力消失，汽車將失去轉(zhuǎn)向能力。ABS防抱死系統(tǒng)正是通過電子系統(tǒng)的控制，使得剎車時(shí)輪胎與地面間的靜摩擦力一直保持在最大狀態(tài)，同時(shí)車輪又不至于抱死，從而保證汽車的剎車系統(tǒng)的性能得到最大程度的發(fā)揮同時(shí)又保持轉(zhuǎn)向能力。ABS防抱死系統(tǒng)能顯著降低制動(dòng)距離的另一個(gè)原因是汽車與地面間的最大靜摩擦力大于滑動(dòng)摩擦力。

很多學(xué)說被提出用于解釋滑動(dòng)摩擦力的來源。如嚙合說認(rèn)為滑動(dòng)摩擦力是由于兩物體接觸面間粗糙不平造成的，當(dāng)兩物體有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，接觸面的凸起部分相互碰撞，產(chǎn)生對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻礙。有些學(xué)者認(rèn)為滑動(dòng)摩擦力起源于兩物體接觸面上的分子間內(nèi)聚力，從這個(gè)觀點(diǎn)而言，無論物體表面多么光滑，總會(huì)存在摩擦力作用。滾動(dòng)摩擦力的來源則與滑動(dòng)摩擦力來源不同。滾動(dòng)摩擦力是由于兩物體接觸表面產(chǎn)生形變，從而支持力作用點(diǎn)前移而對(duì)物體的滾動(dòng)產(chǎn)生的阻力矩作用。除此之外，汽車受到的摩擦力還包括空氣阻力等，如何利用或者降低這些摩擦力是是設(shè)計(jì)汽車需認(rèn)真考慮的問題。

3 汽車中的照明系統(tǒng)

汽車中的照明系統(tǒng)主要為車燈。車燈分為鹵素?zé)簟㈦瘹鉄艉蚅ED燈。

鹵素?zé)羰巧?jí)版的白熾燈，其通過加熱燈絲發(fā)光。鹵素?zé)舻墓庾V非常接近同等溫度的黑體輻射光譜，燈光偏黃，電光轉(zhuǎn)化效率低，發(fā)熱量高，但成本低，一般用于低端車型。在可見光波段，波長越長的光在大氣中的穿透能力越強(qiáng)，另外人眼對(duì)黃綠光最為敏感。綜合以上兩個(gè)因素，對(duì)人眼而言，黃光是大氣中穿透力最強(qiáng)的光。鹵素?zé)舻臒艄夂写罅奎S光成分因而穿透性很強(qiáng)。鹵素?zé)糁械柠u素可以使燈泡中因加熱而揮發(fā)的鎢重新凝結(jié)在燈絲上，提高燈泡的壽命。氙氣燈沒有燈絲，其在燈管中充入了大量的惰性氣體，大部分為氙氣。通電后，從陰極發(fā)射大量電子，電子在燈管中加速后與氙原子碰撞，使氙氣電離，氙離子又在燈管中加速并相互碰撞，使氙離子的電子躍遷到高能級(jí)。當(dāng)電子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)放出一個(gè)光子，這就是氙氣燈的發(fā)光原理。氙氣燈的光譜與日光光譜很接近，有助于減緩夜間行車駕駛?cè)说囊曈X疲勞。氙氣燈也含有大量的黃光成分，穿透性較強(qiáng)。LED燈的存在歷史最短，其發(fā)光原理較為復(fù)雜。LED燈的主要結(jié)構(gòu)為pn結(jié)，通過p區(qū)電子與n區(qū)空穴結(jié)合并放出一個(gè)光子發(fā)光，放出的光子能量取決于該結(jié)合能。LED燈發(fā)出的光偏白，含有的黃光成分較少，穿透性差。由于LED燈直接將電能轉(zhuǎn)化為光能，因此在三種類型的車燈中發(fā)熱量最小。同時(shí)LED燈具有壽命長，可塑性強(qiáng)等特點(diǎn)，但工藝復(fù)雜，成本較高，一般用于高端車型。

4 汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的核心部件，從根本上決定了汽車的性能。最先在汽車中使用的發(fā)動(dòng)機(jī)是外燃機(jī)。外燃機(jī)原理簡(jiǎn)單但體型笨重，不適合汽車這種小型化交通工具。蒸汽機(jī)是最常見的外燃機(jī)，一般用于鐵道車輛和船舶等。為了尋找更適合汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，人們發(fā)明了內(nèi)燃機(jī)。內(nèi)燃機(jī)因體積緊湊、熱效率高、使用操作方便等特點(diǎn)，在短時(shí)間內(nèi)就成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的主流。外燃機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的熱能機(jī)械能轉(zhuǎn)化過程都可以簡(jiǎn)化為可逆熱力學(xué)循環(huán)過程[3]。簡(jiǎn)化了的循環(huán)過程可由熱力學(xué)定律計(jì)算其能量轉(zhuǎn)化效率，而后在模型中適當(dāng)?shù)募尤氩豢赡嬉蛩氐挠绊?，可以模擬實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，這些模擬有助于指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)。最近由于電動(dòng)汽車的節(jié)能環(huán)保等特性，受到人們的廣泛重視。電動(dòng)汽車電機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī)、交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等。其中開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)速高、效率最高可達(dá)93%等優(yōu)秀特點(diǎn)而被視為未來電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的主流。

5 結(jié)語

交通工具中的物理學(xué)知識(shí)廣泛而深刻。通過研究與交通工具相關(guān)的物理學(xué)可以推動(dòng)交通工具的變革與發(fā)展，如研究物體表面形狀與流體阻力的關(guān)系可以減少阻力、提高速度，研究熱能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率等。本文以汽車為例，研究了汽車中用到的透鏡和反射鏡、摩擦力、照明系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)等相關(guān)的物理學(xué)內(nèi)容，但是仍然有許多系統(tǒng)如變速箱、發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱等未涉及，是下一步的研究內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

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