生活中的物理學

王睿

摘 要：在日常生活中，物理知識與物理現象無處不在。在汽車駕駛過程中，許多現象也都體現著物理力學規律。本文以汽車駕駛為例，對汽車駕駛中涉及的一些力學問題作出了歸納與探討。

關鍵詞：物理學；汽車駕駛；力學問題

物理學科中涉及的內容源于生活又可以用于生活，這些內容不僅影響著人類活動的眾多領域，而且也是推動社會發展的重要動力。在日常生活中，與物理知識相關的現象無處不在，挖掘物理知識與現實生活的聯系，對于更好地掌握物理知識、做到學以致用具有著重要意義。

在人類文明不斷發展的過程中，科學技術的進步讓人們許多美好的愿景成為了現實。200多年前，汽車的出現成為了人類工業史和交通史中重要的里程碑，這一交通工具替代了馬車，并在動力機制方面做出了變革。在此過程中，物理學發揮出了重要的推動作用，如最早的汽車使用蒸汽機作為動力系統，這種動力系統能夠將熱能轉換為機械能，這一過程則涉及物理學中的熱學和力學問題。除此之外，汽車行駛過程中也涉及很多的力學問題，本文則對這些力學問題中的部分內容做出了探討。

一、 汽車行駛中的摩擦力

在汽車行駛過程中，無論是汽車內部還是汽車與外界之間，都會產生一定的摩擦力，對這些摩擦力的了解，可以從汽車啟動、轉彎以及剎車三個過程中入手。

（一） 汽車啟動時面臨的摩擦力

在兩驅的汽車中，一般發動機會與后輪形成連接，形成主動輪。當汽車啟動時，發動機會帶動后輪旋轉，后輪與地面接觸時則會產生與行駛方向相反的摩擦力，當后輪沒有發生打滑現象時，在汽車啟動的一瞬間，后輪相對于地面靜止，因此，汽車后輪會受到靜摩擦力的影響，并且這種靜摩擦力為向前的力。在此過程中，前輪作為從動輪，會在車輛推動下產生向前運動的趨勢，因此，前輪也會受到靜摩擦力的影響，并且這種靜摩擦力向后。當后輪所受到的靜摩擦力大于前輪所受到的靜摩擦力時，汽車就會加速向前運動。

（二） 汽車拐彎時面臨的摩擦力

在汽車拐彎過程中，需要具備一個向心力，汽車行駛的速度越快，所需要的向心力也就越大。這一向心力的產生主要來自于汽車輪胎與地面所發生的橫向靜摩擦力。如果靜摩擦力達到極值，即行駛速度過大，向心力超過這一極值時，汽車就會產生離心運動，此時的汽車很容易偏離正常的軌道，并產生交通事故。也正因為如此，在公路的緊急轉彎地帶，一般設有限速提示，從而通過提醒駕駛者降低行駛速度實現安全過彎。

（三） 汽車剎車時面臨的摩擦力

在汽車剎車過程中，假設全部輪胎都已經剎住，但是受到慣性影響，汽車仍舊會向前行駛，輪胎與地面之間則會產生摩擦力。根據運動學公式：t=v0/a和s=v20/2a可知，在摩擦力一定的情況下，汽車的行駛速度越快，剎車時間以及剎車之后汽車的行進距離也就越長，因此，當汽車速度較快時，緊急剎車容易發生交通事故。當然，在汽車行駛過程中，輪胎與地面之間的摩擦力和輪胎以及路面的粗糙程度都緊密相關，因此，下雨、下雪也會導致輪胎與地面之間的摩擦力變小，并延長剎車時間和剎車之后的行車距離。由此可見，在陰雨下雪天氣，汽車駕駛者有必要控制駕駛速度，從而更好地保證行駛安全。當然，以上的分析都建立在汽車剎車系統沒有其他輔助裝置的前提之上，而現在大多數汽車所具有的ABS防抱死剎車系統，則能夠讓車輪與地面之間產生將滑未滑的狀態，這讓汽車與地面的摩擦力呈現為最大靜摩擦力的狀態，在此基礎上，汽車剎車過程中的加速度要大于車輪滑動的加速度，車輛的剎車時間也可以有效縮短，這對于避免汽車發生追尾、碰撞事故具有著重要意義。

二、 汽車行駛中的空氣阻力

在我們駕駛汽車的過程中，當汽車行駛速度在90 km/h以下時，機械阻力是汽車行駛面臨的主要阻力，這些機械阻力包括輪胎和地面產生的摩擦以及發動機內部所產生的摩擦等；當汽車行駛速度達到90 km/h以上時，則汽車所面臨的主要阻力變為空氣阻力。從機械阻力與空氣阻力的差別來看，機械阻力不會隨著汽車行駛速度的改變而產生改變，而空氣阻力則會隨汽車速度的加大而不斷加大，由此可見，機械阻力屬于汽車行駛所面臨的常量，而空氣阻力則是汽車行駛所面臨的變量。具體而言，汽車行駛中所面臨的空氣阻力主要包括以下幾種類型：

（一） 壓力阻力

在汽車行駛過程中，汽車所面臨的壓力阻力又包括壓差阻力與迎面阻力兩種，這都是汽車行駛面臨的最主要的空氣阻力之一。迎面阻力即汽車前進過程中，車頭所面臨的阻力，這一阻力與汽車車頭的面積具有緊密的關聯，即汽車車頭面積越大，汽車所面臨的迎面阻力也越大。在迎面阻力問題的解決中，可以采用流線型設計方法降低汽車行駛所面臨的迎面阻力。壓差阻力指的是汽車行駛過程中，空氣會逐漸流向車尾，而車尾垂直平面部分則面臨著十分嚴重的湍流，并且形成空氣分離區，這個分離區中的負壓和汽車車頭所面臨的正壓產生壓差，并形成與汽車行駛方向相反的阻力。從理論上來看，壓差阻力的降低可以通過延長車尾來完成，通過避免形成空氣分離區來實現壓差阻力的降低。然而事實上，如果汽車這樣設計，則會降低汽車本身所具有的功能性，因此，壓差阻力的降低一直是汽車工程師所面臨的重要難題。從當前來看，壓力阻力的解決主要采用了圓潤的車頭設計和緩和的道路坡度來解決，與此同時，汽車工程師也往往會利用擴散器吹散車尾的空氣分離區，從而降低壓差阻力。

（二） 機艙阻力與誘導阻力

在汽車行駛過程中，發動機與空氣之間也會產生一定的隱形阻力。雖然許多汽車都采用流線型設計來降低空氣阻力，但是一些空氣卻可以通過汽車格柵吹向發動機，顯然，發動機的造型并不具備流線型的特征，這也讓發動機艙面臨著一定的空氣阻力。從汽車所面臨的整體閥組來看，發動機艙阻力占到了總阻力的12%左右。為了解決這一問題，越來越多的汽車開始使用可控制開關的格柵，當汽車高速行駛并且發動機無需冷卻時，則汽車駕駛者可以將進氣格柵關閉，從而避免氣流進入發動機艙，以便實現機艙阻力的降低。endprint

誘導阻力雖然在汽車行駛過程中并不明顯，但是這種阻力在汽車風阻方面的占比也達到了7%。誘導阻力的產生同樣是源于壓差，即在汽車高速行駛的過程中，如果車體空氣流速與車輛底盤下的空氣流速不同時，汽車將會面臨誘導阻力。為了降低車輛行駛中所面臨的這一阻力，汽車工程師往往會在汽車上設計一些伸出的邊沿，這種設計的功能與飛機上的翼稍小翼類似，都會產生隔絕汽車兩個平面間的空間流動、并降低誘導阻力的作用。

三、 汽車行駛中的其他力學問題

（一） 汽車行駛中的牽引力

汽車行駛中的牽引力與汽車所具有的發動機以及汽車發動機的功率具有著緊密的關系。在汽車行駛過程中，如果額定功率不變，則汽車的行駛速度與汽車的牽引力呈現反比關系，即汽車速度越小，牽引力也就越大，因此，在汽車啟動階段，由于汽車行駛速度較小，所以汽車所受到的牽引力大于汽車所受到的阻力。當汽車勻速行駛時，汽車所受到的牽引力與所受到的阻力持平。當汽車上坡時，則汽車所受到的阻力較大，為了增大汽車的牽引力以實現汽車的向前運動，則需要減速慢行，利用低擋上坡。

（二） 汽車行駛中的的內能

汽車行駛需要能源，而這種能源主要是指汽油或者電能。在汽車行駛過程中，汽油與電能可以轉換為機械能，而機械能則可以轉化為機動車行駛的內能。以燃油汽車為例，汽油燃燒越充分，能源則具有更高的利用率。而在緊急剎車過程中，許多機械能會向內能轉化，這就降低了能源的充分利用，因此，在車輛行駛過程中，應當避免過多出現緊急剎車的情況，從而提高能源利用效率。

結語

汽車的出現是人類交通史上重要的革命，汽車是一種復雜的整體，其行駛過程也受到了諸多力學問題的影響，從當前來看，無論是汽車的整體結構還是動力驅動，都對科技的創新與應用作出了體現。綜上所述，物理學是一項極具生活性的學科，在駕駛汽車的過程涉及的力學問題中，摩擦力與空氣阻力是最為主要的內容。通過了解這些內容，對于汽車的安全駕駛以及汽車設計都具有著重要的現實意義。

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