淺談汽車中的兩個力學問題

徐從茂

隨著人們生活水平的日益提高，小汽車越來越多地走進了千家萬戶.汽車中的物理知識有很多.本文主要談談兩個力學問題在汽車中的應用.

一、小汽車的車身為什么設計成流線型

汽車尾翼在F1賽車上所使用的擾流翼其實基本原理與飛機的機翼是相同的，后來才被移植于普通汽車上.只不過飛機的機翼是產生向上抬升的力量，而賽車的擾流翼則是要產生向下壓制的力量.這是飛機機翼的剖面，當空氣流經機翼時，由于通過機翼上方的氣流速度較快，下方的氣流速度較慢，因此翼面上方的空氣壓強降低，相對的翼面下方的空氣壓強較大，所以產生向上抬升的力量，而且速度越快壓力差越大.如果把機翼倒過來，就是簡單的賽車擾流翼了，效果也就相反，產生向下壓制的力量，通常我們稱之為下壓力.

車在高速行駛時，根據空氣動力學原理，我們知道汽車在行駛過程中會遇到空氣阻力，圍繞汽車重心同時產生縱向、側向和垂直上升的三個方向的空氣動力量，其中縱向為空氣阻力.

為了有效地減少并克服汽車高速行駛時空氣阻力的影響，人們設計使用了汽車尾翼，其作用就是使空氣對汽車產生第四種作用力，即產生較大的對地面的附著力，它能抵消一部分升力，有效控制汽車上浮，使風阻系數相應減小.使汽車能緊貼在道路地面行駛，從而提高行駛的穩定性能.目前大多數汽車尾翼都是根據車身的寬度，經過精確計算用玻璃纖維或碳素纖維制成的，既輕巧又堅韌，不宜過大也不宜過小，不然反而會增加轎車的行車阻力或起不到減阻節能的作用.一般情況下，不同形狀的車身和不同的行駛速度，造成空氣動力壓值的差.當汽車在時速超過60 km/h，空氣阻力就會大量消耗發動機的能量，影響車速.隨著高速公路的快速發展，現今汽車的時速已達100 km/h左右，車速越快，阻力越大，升力也就隨著增大，其上升氣流就會將汽車托起，減少車輪與地面附著力，使汽車飄浮，穩定性變差，易發生交通事故.

汽車尾翼的作用，就是在汽車高速行駛時，使空氣阻力形成一個向下的壓力，盡量抵消升力，有效控制氣流下壓力，使風阻系數相應減小，故其空氣阻力系數也不同.

二、汽車前進的動力問題.摩擦力在汽車中究竟起什么作用

汽車前進輪胎的摩擦力如何？輪子在地上能夠“向前”滾動，是因為輪子與地面之間有“滾動摩擦”.（某一時刻，輪胎上的一點與地面接觸，本來由于它處于圓周運動狀態，而有一個沿切線方向向后的力，有“相對于地面向后”的運動趨勢，但是由于受到摩擦作用而并沒有發生相對于地面的位移，使得輪胎上部的其他點因為下方有了一個“著力點”，才能繼續向下轉動而陸續與地面前方的點接觸） 輪胎因為磨損嚴重，或是因路面過于光滑，使得輪胎與地面之間的滾動摩擦很小，稍一“著力”就沿切線方向向后滑動了，從而使得輪胎上部的其他點失去了這個“相對沒有發生位移的著力點”，而只能陸續與地面上“原來與輪胎接觸的點”甚至“這個點后面的其他點”接觸，造成輪子原地打滑，甚至后退的現象. 打滑一段時間后，由于持續的摩擦可能會破壞原本光滑的路面，或是偶爾有輪胎上的一點被“滯”住了，于是輪胎就可以繼續向前滾動了.

摩擦力在汽車中究竟起什么作用？這個問題在現行的中學物理教材中未予系統的闡明，僅指出汽車在水平方向所受的作用力為向前的牽引力和向后的阻力.但沒有說明什么是牽引力，什么是阻力.因而，學生常常認為摩擦力是汽車前進的阻力，有發動機產生汽車前進的動力，這顯然是錯誤的，要明白這一點，我們應弄清楚汽車前進時的以下幾個問題.

1.行駛時主動輪所受摩擦力是汽車的動力.我們知道汽車輪有主動和從動之分，一般后面的兩個為主動輪，前面的兩個為從動輪.汽車行駛時發動機產生使主動輪沿順時針方向轉動的驅動力矩，使主動輪沿順時針方向轉動，主動輪與地面接觸處產生向后運動的趨勢，地面要阻礙輪的轉動，產生一個使主動輪沿逆時針方向轉動的阻力矩，對主動輪提供阻力矩的就是向前的靜摩擦力，它和輪與地面相對運動的趨勢相反，是汽車前進的動力.

增加發動機的功率，會使主動輪沿順時針方向轉動的驅動力矩增大，主動輪轉速增加，這時，要達到力矩平衡，地面對輪的阻力矩也增大，靜摩擦力增大，從而牽引力增大，因此，汽車在加速時需要加大油門，利用提高發動機的功率來增大牽引力.減小油門時，其主動輪沿順時針方向轉動的阻力矩也減小提供牽引力的靜摩擦力減小，從而汽車的牽引力小于阻力，汽車做減速運動.

2.行駛時從動輪與地面之間是滾動摩擦.汽車行駛時從動輪相對于地面是滾動的，它與地面之間的摩擦力是滾動摩擦；由于從動輪屬于被動向前，地面對它的摩擦阻礙它轉動，因此，其所受摩擦力為阻力、方向向后；又滾動摩擦小于滑動摩擦，故這樣設計可以減小汽車所受的阻力.

汽車行駛時所受的阻力主要有從動輪所受滾動摩擦力和空氣阻力，不是單一的滾動摩擦力.因此我們在設計習題牽涉到汽車的阻力時，一般說汽車所受的阻力是車重的多少倍，而不是說摩擦因素是多少.

滾動摩擦力的大小與汽車對地面的壓力有關，壓力越大，摩擦力越大，對汽車的阻礙作用就越大，因此，汽車載重越大，所需要的動力就越大，我們在設計車的時候，往往讓汽車主動輪承重稍大，從動輪輪承重稍小，以增大主動輪的最大靜摩擦力和減小從動輪的阻力；空氣阻力與車速和受力面積有關，車速越大，阻力越大，受力面積越大，阻力越大，因此，汽車快速行使需要的動力就大.

由于汽車技術的飛速發展，人們對汽車性能的需求也日趨全面，這也促使更多的汽車中的物理知識應用于汽車上.

物理知識的形成來源于生活.在物理教學中，教師巧妙地運用學生在生活中的感知，以激發學生強烈的求知欲，更便于物理知識的學習和理解.