汽車行駛過程中輪胎與地面的摩擦力研究

摘要：汽車在行駛的過程，輪胎不斷與地面進(jìn)行接觸進(jìn)而產(chǎn)生了摩擦力，并影響到汽車行駛的方向、速度等。基于此，本文針對汽車汽車在平直公路上正常行駛時、剎車時以及轉(zhuǎn)彎時所受的摩擦力進(jìn)行分析，進(jìn)而具體描述了輪胎在汽車行駛中所產(chǎn)生的作用及影響。

關(guān)鍵詞：汽車；輪胎；摩擦力

引言：

在行駛時，輪胎與地面進(jìn)行摩擦，這是一種必然的物理現(xiàn)象。摩擦在生活中處處可見，摩擦力對物體的運(yùn)動產(chǎn)生了阻礙，但是在汽車的行駛過程中，卻又扮演著動力的角色，針對汽車行駛的不同階段，汽車輪胎與地面的摩擦力可以大致分為三種類型。

1.平直公路上正常行駛時所受的摩擦力

汽車在平直的公路上行駛時，主要分為以下三個階段，即啟動、加速、勻速等，這這是哪個階段內(nèi)，汽車會受到相同方向的摩擦力。所謂摩擦力，就是指互相接觸的物體在進(jìn)行相對運(yùn)動或者是具有相對運(yùn)動趨勢時，所產(chǎn)生的一種阻礙物體間運(yùn)動及運(yùn)動趨勢的力。在汽車的行駛過程中，主動輪使汽車輪胎與地面產(chǎn)生了相對運(yùn)動，這種運(yùn)動是由汽車發(fā)動機(jī)所提供的驅(qū)動力。汽車的動力主要依靠后輪作為主動輪，行駛的過程中，發(fā)動機(jī)提供動能，使得主動輪順時針方向轉(zhuǎn)動。一旦地面光滑度較高，就會令輪胎在原地打轉(zhuǎn)，不能有效行駛，而地面具有摩擦力，才會使地面對車輪產(chǎn)生阻礙車輪向后滑動的摩擦力，這樣才能使得汽車向前行駛。

相較于主動輪，從動輪就是不提供動力，不輸出功率以及扭矩的輪。從動輪受到地面的力是向后的，所以產(chǎn)生了阻力。從動輪由于主動輪的作用，才向前被推動。與主動輪相比，當(dāng)從動輪形式的地面是光滑的，那么從動輪與地面接觸的點(diǎn)就會相較于地面有前進(jìn)趨勢，反之地面粗糙，則會產(chǎn)生向后的摩擦力，并且這種力的方向不通過軸心，所以這個力是滾動摩擦力[1]。滾動摩擦力是一種阻礙滾動的力，也正是由于這種力的作用，才使得從動輪向后被動地進(jìn)行轉(zhuǎn)動，推進(jìn)汽車行駛。

2.剎車時所受的摩擦力

剎車是汽車行駛最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，也是對駕駛者以及行人安全的保障。汽車剎車過程中，所受到的力是地面向后的摩擦力，摩擦力產(chǎn)生作用的位置與地面津貼，所以相對于汽車整體的重心有一個力矩，讓汽車向前翻轉(zhuǎn)按，但是由于地面支撐力對它來說又有一個向后翻轉(zhuǎn)的力矩，抵消了向前翻轉(zhuǎn)的力矩，使得汽車并不會在剎車時發(fā)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。汽車剎車時，前輪對地面的壓力是大于后輪的，即前輪受到支撐力也是比后輪大的。在物理學(xué)中可以知道，摩擦力越大，壓力也就越大，故而剎車過程中前輪由于摩擦力大于后輪，則前輪的制動能力也較強(qiáng)，前輪的剎車裝置必須具有較強(qiáng)大的制動力矩。但是汽車的主動輪也配備剎車裝置，這是由于一旦只有前輪具備剎車裝置，就會出現(xiàn)慣性導(dǎo)致的翻車現(xiàn)象。所以一般汽車剎車時都會采取前后輪制動的同時進(jìn)行。緊急剎車會導(dǎo)致輪胎抱死，輪胎抱死會使得汽車的附著能力、穩(wěn)定性以及操控性受到影響，這時由于滑動摩擦力極小，會造成危險(xiǎn)。關(guān)于把控汽車剎車抱死現(xiàn)象，可以采取裝備ABS技術(shù)，ABS即制動防抱死系統(tǒng)，有效對汽車制動時制動力的大小進(jìn)行控制，保證車輪和地面的附著力在最大值。這一技術(shù)在20世紀(jì)初期就已經(jīng)開始研制，但是推廣是在20世紀(jì)末，為汽車安全性能的提升做出了貢獻(xiàn)。

3.轉(zhuǎn)彎時所受的摩擦力

除了剎車和平直行駛，汽車還在轉(zhuǎn)彎時受到較為復(fù)雜的摩擦力。汽車的轉(zhuǎn)彎過程中，車輪受到驅(qū)動力的作用，與地面形成的摩擦力是靜摩擦力。靜摩擦力和汽車在前進(jìn)方向上是相同的，這一摩擦力還為汽車的前進(jìn)提供了一種動力。汽車轉(zhuǎn)彎時，運(yùn)動是路線不再是直線，這時會產(chǎn)生向心力。但是由于汽車行駛過程中受力的不同以及做轉(zhuǎn)向運(yùn)動各個輪胎位置差異，所以汽車的內(nèi)側(cè)、外側(cè)輪胎也受到了不同的向心力。汽車在轉(zhuǎn)彎時受到的向心力是靜摩擦力的一個法相分力。汽車受到制動并且不受驅(qū)動力的影響時，汽車就會沿著切線的方向減速，這時受到的阻力來源就主要是自身的制動系統(tǒng)提供的阻力以及地面的摩擦力。汽車轉(zhuǎn)彎時，向心力來自于靜摩擦力，故而物體的運(yùn)動速度與向心力呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，這時摩擦力的增強(qiáng)也就使得汽車實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。車速越大，輪胎與地面的摩擦力越大，轉(zhuǎn)彎所需的向心力比可以提供最大的靜摩擦力要大，汽車就會進(jìn)行離心運(yùn)動了。

4.輪胎對汽車行駛的影響

輪胎對于汽車行駛的影響主要就體現(xiàn)在摩擦力作用下，輪胎的性能影響汽車運(yùn)行主要分為五個部分：一是影響汽車制動性，作為剎車最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，汽車制動性也是汽車主動安全性評價(jià)的重要指標(biāo)之一[2]。汽車制動性受到輪胎磨損程度、花紋深度等影響，輪胎一旦磨損情況較嚴(yán)重，就會對安全駕駛造成威脅；二是影響汽車的抓地性，汽車之友輪胎是直接接觸地面的，所以輪胎影響汽車穩(wěn)定，輪胎的氣壓、主要材料以及結(jié)構(gòu)，都會對汽車抓地性能造成影響；三是影響汽車的排水，輪胎花紋是輪胎排水的主要基礎(chǔ)，排水不良會導(dǎo)致對汽車的控制能力降低，胎面排水主要有兩種設(shè)計(jì)方式，在輪胎中央形成大排水溝或是將輪胎胎面設(shè)計(jì)成萬戶側(cè)溝；四是輪胎花紋對于汽車行駛的意義，花紋在胎面和切向力的作用之下產(chǎn)生彈性變形，從而促進(jìn)對車體的控制；五是輪胎的扁平率，即輪胎高度與寬度之間的比例，車輪胎越寬，與地面接觸面積越大，所受到的摩擦力也就越大，反之同理，所以增強(qiáng)車輛的穩(wěn)定性以及可操控性的最簡單辦法就是增加輪胎的內(nèi)徑。這樣還可以防止由于爆胎而產(chǎn)生的影響，一旦發(fā)生爆胎，坍塌的幅度也由于面積較大而變小。

結(jié)論：

汽車行駛時產(chǎn)生的摩擦力不僅在汽車行駛方面可以起到作用，在汽車剎車時更是為汽車的前后輪提供向后的阻力，可以有效地進(jìn)行停車。摩擦力在汽車的行駛以及快速制動方面，都具有著極其重要的作用，輪胎也成為汽車行駛最為重要的一個環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李泓宇.汽車安全行駛，誰最給“力”——淺談摩擦力在汽車中的應(yīng)用[J].學(xué)周刊，2018（06）：155-156.

[2]孫碩.汽車行駛中幾個問題的力學(xué)分析[J].科技風(fēng)，2016（19）：173-174.

作者簡介：李世東，男，籍貫：貴州畢節(jié)，1994年9月出生，本科學(xué)歷，研究方向：物理學(xué)。

通訊作者：張鳳鈴