汽車安全行駛中物理知識簡析

2011-01-01 00:00:00趙志軍

職業·下旬 2011年4期

物理學是研究自然界物質運動基本規律的科學。其他應用學科，莫不以物理為基礎。它是一項嚴格的、定量的科學，它的各種結論是根據基本規律，通過嚴密的邏輯推導得到的。學科緊密結合日常生活，在相關領域有非常廣泛的應用。

在物理教學中，如果注意結合學生熟悉的生活、生產實際，提出與教學有關的問題讓學生去思考，往往能激發起學生的學習興趣。

隨著我國汽車業的迅速發展，汽車年銷量2010已超過美國成為世界第一，汽車保有量在不遠的將來也將取代美國成為世界第一。那么，汽車道路行駛安全，與車輛日常維護日益突出。汽車道路行駛中所包含許多物理運動力學中的知識。對我們的行車安全大有幫助。

一、汽車直線行駛的速度和牽引力

題目：質量m的汽車以恒定功率P在平直公路從開始起動，設阻力f的大小恒定不變，分析運動情況，求最大速度。

分析：汽車功率P和速度v、牽引力F的關系為P=Fv，汽車起動后，速度F的大小是變化的，故牽引力F的大小發生了變化。

水平方向汽車受力如圖1所示，由牛頓第二定律可知：，因P=Fv，故

隨著速度v的變大，合力變小，加速度a變小，但a、v方向相同，故汽車作加速度變小，速度變大的變加速直線運動。當加速度a=0，速度v達到最大，不再變化，以后汽車作勻速直線運動，最大速度，此時牽引力F=f。

需要說明的是汽車開始起動時，采用低速檔，獲得較大牽引力，因而具有較大的起動加速度。而途中高擋勻速行駛牽引力最小，理論上講只要汽車按某一恒定速度行駛（不同車型理論油耗最低速度有所區別），汽車油耗最低。此例中涉及功率、受力分析和牛頓第二定律等知識。

二、汽車轉彎問題

通常在水平地面上做圓周運動的汽車，是靠地面對汽車的摩擦力來提供向心力的，但是，高速公路上的汽車，速度很大，在轉彎時（可視為做圓周運動）不能采取無限增大摩擦力的方式（如使路面粗糙程度增加等）提供向心力，過大的摩擦會縮短路面的汽車輪胎的壽命。于是人們想到了“力的分解”——利用汽車自身重力的一個分力，提供一定程度的向心力，從而使車輛順利轉彎，且有效地保護高速路面。

汽車以一定的速度在曲線上行駛，必須具有足夠的向心力，向心力的大小與車速的平方成正比，與曲線半徑成反比，在工程上計算式為：

式中：F——向心力，N；

G——汽車重力，N；

v——車行駛速度，m/s；

R——曲線半徑，m；

g——重力加速度，g=9.8m/s2；

向心力F的作用點在汽車的重心，方向指向圓心。

為了使汽車自身重力和支持力的合力充當一定量的向心力（一般地說，并非向心力的全部），常把曲線路面做成外側高、內側低，呈單向橫坡的形式，這就叫做曲線超高。汽車行駛在具有超高的曲線上，如圖所示，F表示汽車轉彎時應當具有的向心力，該力在橫向（x軸）和縱向（y軸）被分解為Fcosa和Fsina。汽車重力G的一個分力（Gsina）沿橫坡（x軸）方向，充當了一部分向心力的作用；向心力的另外部分，則仍由路面與輪胎之間的摩擦力提供。

因此，在x軸方向上，則有Fcosa=Gcosa +T①

式中，T為路面對汽車的橫向作用力，它是由路面對輪胎的摩擦力提供的（在圖中未畫出），在y軸方向上，汽車所受合力為零，對轉彎運動不產生影響。

由于路面橫坡不大，即斜面傾角a很小，可近似認為 cosa=1，sina=tana=i（i叫超高城度），于是有T=Fcosa-Gsina=F-Gi=

μ稱為橫向力系數，其意義為單位車重的橫向力，μ值愈大，汽車在曲線上行駛的穩定性愈小，司乘人員感受的舒適性就愈差。

②式表達了橫向系數與車速、曲線半徑和超高坡度之間的關系，這個關系對確定曲線半徑、超高坡度以及評價汽車行駛在彎道上的安全性、舒適性有十分重要的意義。

對于①式的討論，顯然得出：當汽車在平坦路面上轉彎時，a=0 ，則：F=T

這表明，汽車轉彎的向心力全部由路面對汽車輪胎的摩擦力提供。

一些研究報告指出：μ的舒適界限，有0.11道0.16，隨行車速度變化，在設計時，高速公路上取較低數值，低速公路上取較高數值。

綜合上述對行車安全、經濟、舒適等方面的要求，參考國外的試驗資料，采用μmax（μ的最大值）、imax（i的最大值）及最小半徑的數值見表1，表2列出的我國高速公路園曲線的最小半徑。（1）

三、汽車通過凹凸橋面

建造在公路上的橋梁大多是凸形橋，較少是水平橋，更找不到凹形橋，其主要原因包含著物理動力學原理。

汽車在通過平面橋時，汽車對橋的壓力等于車的重力。