汽車安全行駛，誰最給“力”

李泓宇

摘 要：汽車作為一種快捷、實用、貼近大眾生活的交通工具，受到了現代人的青睞。汽車在設計和制造過程中，離不開物理學一個重要分支——力學。摩擦力是阻礙物體相對運動的力。汽車行進時需要摩擦力，制動系統系統也需要摩擦力。那么，摩擦力在汽車幾大系統中是如何被應用的呢？

關鍵詞：摩擦力；汽車動力系統；轉向系統；制動系統

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9132（2018）06-0155-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2018.06.098

隨著現代社會經濟日益發達，汽車制造業蓬勃發展，而在汽車的設計和制造過程中都離不開物理學中一個重要分支——力學。筆者著重從汽車動力系統、轉向系統和制動系統方面談談摩擦力的應用。

一、汽車前進的動力問題：摩擦力在汽車前進中所起的作用

人們通常以為，汽車能在道路上行駛，最大的功臣莫過于汽車的“心臟”——發動機，只要發動機有牽引力，汽車便可自由行駛。站在物理學角度分析，這種觀念是片面的。原因眾所周知，從物理學方面而言無論多大的內動力，都不能直接改變物體的運動狀態。例如，我們把一輛汽車吊起來，使之四輪懸空，然后發動汽車，這時你會發現，不論如何加大動力，也就是無論如何踩油門，車輪都只是空轉，車身并不能前進。如果想讓一輛靜止的汽車改變靜止狀態為運動狀態，必須得對它施加一定的外力，也就是物理學上常說的，必須得有一個不是汽車本身施加的力作用到汽車身上。這個外力，不是別的，就是物理學上一種很常見的作用力，即與汽車前進方向相反的一種力——地面給予這輛汽車的摩擦力。那么，這個方向向前的摩擦力是怎么形成的呢？它在汽車前進中又起著什么作用呢？

汽車發動機的轉動通過傳動系統傳遞到車輪上，使車輪轉動。假設當發動機工作時，只是驅動后車輪轉動。這個時候，輪胎外圍與路面有相對向后的運動趨勢，此時，輪胎受到了地面給予它的向前的摩擦力。這個方向朝前的摩擦力幫助汽車克服了行駛時的阻力，致使汽車得以順利向前行駛。在汽車的四個車輪中，位于車體前面的兩個車輪是從動輪（四驅車除外），汽車發動時，呈現出向前的運動趨，此時它的運動方向相對于路面而言是向前的，摩擦力恰恰與驅動力方向相反——相對于地面而言，摩擦力的方向是向后的，這也就是物理學上的阻力。汽車在這兩種力的作用下，完成向前行駛的動作。所以，汽車由靜止狀態達到運行狀態，發動機給予的動力與地面給予的摩擦力，是缺一不可的，否則汽車不會產生運動。

二、汽車轉向的安全問題：摩擦力在汽車轉彎時所起的作用

在現實生活中，汽車在改變運動路線（此處只論證轉彎）時，一般情況下，操作員會選擇降低車速，否則極易在轉彎時造成車輛側翻事故。如果我們將汽車的轉彎運動看作車輛在做圓周運動的過程，那么在路況良好的城市道路上轉彎時，有輪胎和地面間側向靜摩擦力提供向心力。車輛轉彎的速度越大，其需要的向心力就越大，出現側翻或滑出路道路事故的幾率就越大。

假定汽車以最快速度做勻速圓周運動，此時便需要有指向圓心的向心力作用，這個向心力從何而來？從物理學方面思考，這個向心力，需由車輪受到的靜摩擦力提供。而靜摩擦力的數值是在零和最大值之間變化的，所以，轉彎時汽車的速度只有維持在一個相應的范圍，才能保證汽車在轉彎時車體平穩地沿道路彎度行駛。如果速度過快，汽車運動的向心力高于最大靜摩擦力，汽車就會側翻或沖出彎道的外沿，造成事故。因此，在過彎道時我們需要充分考慮彎道彎度大小、地面坡度、粗糙程度等因素，適時調整前進速度，保證安全順利通過彎道。總之，摩擦力在汽車的轉向系統中起著不容忽視的作用。

三、汽車制動的問題：摩擦力在汽車剎車時所起的作用

汽車制動系統的作用是使行駛中的汽車根據路況或操作員自身的需求降低速度甚至停車。汽車制動時，駕駛員踩下制動踏板，使得摩擦片緊壓在隨車輪旋轉的制動盤上。此時，固定在車體上的摩擦片就會對本來旋轉著的制動盤產生一個摩擦力矩，這個摩擦力的方向與車輪運動的方向是相反的。本來，車輪與路面之間存在著一定的向后的摩擦力（反作用力），摩擦力矩通過車輪和地面之間形成一個方向向前的摩擦力。這樣，這個反作用的摩擦力就變成了汽車的制動力。

在生活中或影視作品中，我們常會看到，交警在勘測交通事故現場時，手拿卷尺丈量事故車輛留在地面上的剎車痕跡的長度，這個長度是勘定事故時一個重要的參考指標。事實上，但凡在路面上留下很長一段、連續性剎車痕跡的車輛，其操作員的剎車方法都是存在一定問題的——沒有認識和最大限度地利用靜摩擦力，導致剎車距離較長，形成“腳踩香蕉皮，滑到哪里是哪里”的危險局面，最終導致事故的發生，害人害己。那么，是否有更好的制動方式呢？有經驗的操作員都知道，點剎法，是一種安全且有效的剎車方法。其原理即保持車輪與地面之間的摩擦力始終為靜摩擦力，快速地踩、放、踩、放剎車。一方面充分利用剎車制動裝置的“內摩擦”使車輪轉速迅速下降，另一方面反復利用輪胎跟地面的靜摩擦力就能使汽車更快地減速，并保持能讓汽車轉向的能力。

站在能量轉換的角度分析，采取一剎到底的方法，即車輪被抱死，汽車完全用來克服輪胎跟地面間的滑動摩擦力做功。采取點剎時，汽車的動能主要消耗在剎車裝置的內部，輪胎跟地面仍保持不滑動，所以輪胎與地面之間始終為靜摩擦。由于f靜>f動，所以剎車距離也就小了。

為了防止操作員因“一剎到底”而導致事故，目前多數汽車安裝了“防抱死剎車裝置（ABS）”。裝有ABS的汽車能對車輪的運動進行監控，一旦發現車輪發生抱死時（此時為滑動摩擦），汽車的行車電腦（ECU）會立即發出指令，放松剎車，摩擦片高速點動制動盤，使車輪不會與地面發生劇烈滑動摩擦，從而使汽車在整個過程中最大限度地利用靜摩擦力，減小剎車距離，進而達到安全有效的剎車目的。

參考文獻：

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