談汽車中的物理學(xué)

張宇軒

摘要：物理知識(shí)和物理現(xiàn)象普遍存在于我們的生活中，汽車在馬路上行駛，體現(xiàn)出物理中的力學(xué)規(guī)律。本文主要闡述了汽車行駛中的關(guān)于摩擦力和空氣阻力的相關(guān)力學(xué)問(wèn)題，并且對(duì)這一類力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)和詳細(xì)的研究分析。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)；汽車駕駛；力學(xué)問(wèn)題

現(xiàn)在社會(huì)中，人們通過(guò)高超的智慧發(fā)明了交通工具，用汽車代替了以前的馬車，推動(dòng)了工業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也在一定程度上方便了人們的日常生活，為人類節(jié)省了大量的時(shí)間從而提高生活質(zhì)量和效率，也為動(dòng)力機(jī)制的變革做出了巨大的貢獻(xiàn)。由此可見(jiàn)，物理學(xué)的出現(xiàn)推動(dòng)了社會(huì)的變革與發(fā)展。汽車剛出現(xiàn)的時(shí)候，依靠蒸汽機(jī)作為它的動(dòng)力系統(tǒng)，其作用原理是將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而推動(dòng)汽車內(nèi)部器件的運(yùn)行使汽車得以行駛，這個(gè)例子體現(xiàn)出物理學(xué)中的熱學(xué)和力學(xué)的問(wèn)題，接下來(lái)將對(duì)汽車中相關(guān)物理學(xué)的問(wèn)題進(jìn)行分析。

一、汽車行駛中的摩擦力

汽車在行駛過(guò)程中，依靠輪胎與地面的摩擦力使汽車向前行駛或停止。在剎車的時(shí)候，通過(guò)輪胎和地面的摩擦力，使汽車的速度減緩下來(lái)直至停止。接下來(lái)將會(huì)從汽車啟動(dòng)、轉(zhuǎn)彎以及剎車三個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.汽車啟動(dòng)時(shí)面臨的摩擦力

在日常生活中所接觸的汽車，一般都是兩驅(qū)汽車，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)和后輪連接組合成為主動(dòng)輪。通常在汽車的啟動(dòng)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)為后輪的旋轉(zhuǎn)提供了動(dòng)力，車胎與地面產(chǎn)生的摩擦力與汽車行駛方向相反，從而推動(dòng)了汽車向前行駛。如果車胎與地面產(chǎn)生的摩擦力較小就會(huì)發(fā)生打滑的現(xiàn)象。汽車的前輪為從動(dòng)輪，當(dāng)后輪產(chǎn)生的靜摩擦力大于前輪所產(chǎn)生的靜摩擦力時(shí)，汽車會(huì)獲得更大的驅(qū)動(dòng)力，促使汽車向前加速行駛。

2.汽車拐彎時(shí)面臨的摩擦力

汽車在馬路上轉(zhuǎn)彎的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一種向心力，如果汽車的速度越快，產(chǎn)生的向心力就會(huì)越大，而這種向心力主要由車胎與地面產(chǎn)生的橫向靜摩擦力所提供。當(dāng)向心力超過(guò)了最大的橫向靜摩擦力時(shí)就會(huì)發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)，而此時(shí)的汽車速度已經(jīng)超過(guò)了正常轉(zhuǎn)彎速度的最大值，汽車會(huì)偏離馬路，造成嚴(yán)重的交通事故。因此在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候一定要注意減速慢行，避免交通事故的發(fā)生。

3.汽車剎車時(shí)面臨的摩擦力

當(dāng)遇到一些緊急情況時(shí)，我們的汽車需要快速的剎車，而在這一過(guò)程中，由于慣性的作用，已經(jīng)剎住的汽車輪胎會(huì)向前滑行一段距離。但是如果我們開(kāi)車速度比較快的時(shí)候，快速剎車會(huì)導(dǎo)致汽車受力不均衡發(fā)生交通事故，這主要與車胎和地面的粗糙程度有關(guān)。當(dāng)路面比較粗糙時(shí)，產(chǎn)生的摩擦力就越大；在雨雪天時(shí)，積雪和雨水會(huì)造成路面比較光滑，在這種情況下產(chǎn)生的摩擦力就比較小。因此，行駛者在雨雪天時(shí)一定要控制汽車的速度，避免剎不住車發(fā)生追尾或者滑坡等事故，減少人體受到傷害。目前我們的大部分汽車都裝有A B S防抱死系統(tǒng)，能夠使車輪與地面達(dá)到一種將滑未滑的狀態(tài)，從而讓汽車保持著與地面存在最大摩擦力的狀態(tài)，從而當(dāng)剎車的加速度大于車輪滑動(dòng)加速度時(shí)，剎車時(shí)間會(huì)縮短很多，減少汽車的追尾和碰撞事故的發(fā)生，保護(hù)行駛者的人身安全。

二、汽車行駛中的空氣阻力

在汽車的行駛過(guò)程中，也會(huì)有一部分空氣阻力的影響，汽車本身的機(jī)械阻力不會(huì)隨著汽車的速度變化而變化，但是空氣阻力會(huì)隨著汽車的速度加快而加大。因此我們可以將汽車的機(jī)械阻力看成一個(gè)常量，空氣阻力看成一個(gè)變量，一般來(lái)說(shuō)空氣阻力分為以下幾個(gè)方面：

1.壓力阻力

汽車所受到的壓力阻力，主要分為壓差阻力和迎面阻力兩種，是汽車空氣阻力中的主要組成部分。什么是迎面阻力？迎面阻力就是汽車行駛時(shí)，車頭所受的空氣阻力。車頭的面積越大，受到的空氣阻力就越大，這就是汽車的設(shè)計(jì)者為什么會(huì)將汽車的車頭設(shè)計(jì)成流線型的原因所在。而所謂的壓差阻力，就是汽車在行駛過(guò)程中空氣會(huì)流向車尾，車尾的平面部分會(huì)受到十分嚴(yán)重的湍流，形成空氣分離區(qū)，分離區(qū)的負(fù)壓與車頭的正壓產(chǎn)生壓差，產(chǎn)生了阻礙汽車行駛的力。壓差阻力不能通過(guò)延長(zhǎng)車尾來(lái)減少，為汽車工程師提供了新的難題，目前主要的解決方式是改變車頭的設(shè)計(jì)和道路的坡度。一些工程師通過(guò)擴(kuò)散器吹散分離區(qū)，減少壓差阻力，從而減少汽車能源的損耗。未來(lái)的汽車壓差阻力需要我們這些風(fēng)華正茂的高中生去解決，所以我們一定要努力學(xué)好物理學(xué)的基本知識(shí)，為未來(lái)汽車行業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

2.機(jī)艙阻力與誘導(dǎo)阻力

阻礙汽車行駛的阻力還包括機(jī)艙阻力與誘導(dǎo)阻力。目前許多汽車都是采用流線型設(shè)計(jì)來(lái)減少這種阻力，但是發(fā)動(dòng)機(jī)與空氣的摩擦也會(huì)產(chǎn)生一部分觀察不到的阻力。汽車設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)不是流線型的結(jié)構(gòu)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)艙會(huì)面臨一部分空氣阻力，這一部分的阻力占到總阻力的1 2 % 左右。這些阻力是通過(guò)使用可控制開(kāi)關(guān)的格柵來(lái)減少的，在汽車高速行駛并且發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)需冷卻的時(shí)候，我們將進(jìn)氣的格柵關(guān)閉，禁止外面的氣流進(jìn)入，來(lái)降低機(jī)艙阻力。誘導(dǎo)阻力在行駛過(guò)程中比較微小，但是它也在風(fēng)阻方面的占比達(dá)到了7%。它的來(lái)源主要是汽車的壓差，在汽車的高速行駛時(shí)，車體的氣流與車盤(pán)的氣流有差異的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)阻力。這些誘導(dǎo)阻力的處理，我們是通過(guò)在汽車外形的設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)出一些伸出的邊沿，與飛機(jī)上翼的設(shè)計(jì)方法相仿，都是通過(guò)切斷車身兩個(gè)平面的空氣流動(dòng)來(lái)減少誘導(dǎo)阻力的產(chǎn)生，從而減少了一些不必要的機(jī)械能的損耗，營(yíng)造一種綠色環(huán)保的新的氛圍，為建造可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)做出了貢獻(xiàn)。

三、結(jié)語(yǔ)

汽車的產(chǎn)生與發(fā)展是人類的交通史上一個(gè)重要的里程碑，推動(dòng)了社會(huì)工業(yè)的發(fā)展，方便了我們的生活，提高了我們的工作質(zhì)量和效率。當(dāng)然，汽車本身的設(shè)計(jì)也是非常復(fù)雜的，它涉及我們?cè)诟咧兴鶎W(xué)到的物理知識(shí)，如摩擦力、向心力等等。汽車是智慧創(chuàng)新的結(jié)晶，是科技發(fā)展進(jìn)步的標(biāo)志，通過(guò)本篇文章的梳理，使我們能夠更好的處理汽車在行駛時(shí)有關(guān)摩擦力的問(wèn)題，也使我們高中生可以更加細(xì)微的觀察生活，樹(shù)立了高中生的努力方向，讓我們能夠正確的去認(rèn)識(shí)并且駕駛機(jī)動(dòng)車輛，減少交通事故的發(fā)生。同時(shí)也對(duì)未來(lái)汽車的車型構(gòu)造創(chuàng)新有所幫助，豐富了我們的課堂之外的知識(shí)，讓我們的學(xué)習(xí)多姿多彩，激發(fā)更大的學(xué)習(xí)興趣，有助于我們個(gè)人知識(shí)面的拓展。

參考文獻(xiàn)：

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