李泓宇

摘 要：汽車作為一種快捷、實(shí)用、貼近大眾生活的交通工具，受到了現(xiàn)代人的青睞。汽車在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，離不開物理學(xué)一個(gè)重要分支——力學(xué)。摩擦力是阻礙物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力。汽車行進(jìn)時(shí)需要摩擦力，制動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)也需要摩擦力。那么，摩擦力在汽車幾大系統(tǒng)中是如何被應(yīng)用的呢？

關(guān)鍵詞：摩擦力；汽車動(dòng)力系統(tǒng)；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；制動(dòng)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9132（2018）06-0155-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2018.06.098

隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)日益發(fā)達(dá)，汽車制造業(yè)蓬勃發(fā)展，而在汽車的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中都離不開物理學(xué)中一個(gè)重要分支——力學(xué)。筆者著重從汽車動(dòng)力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)方面談?wù)勀Σ亮Φ膽?yīng)用。

一、汽車前進(jìn)的動(dòng)力問(wèn)題：摩擦力在汽車前進(jìn)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(guò)于汽車的“心臟”——發(fā)動(dòng)機(jī)，只要發(fā)動(dòng)機(jī)有牽引力，汽車便可自由行駛。站在物理學(xué)角度分析，這種觀念是片面的。原因眾所周知，從物理學(xué)方面而言無(wú)論多大的內(nèi)動(dòng)力，都不能直接改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。例如，我們把一輛汽車吊起來(lái)，使之四輪懸空，然后發(fā)動(dòng)汽車，這時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)，不論如何加大動(dòng)力，也就是無(wú)論如何踩油門，車輪都只是空轉(zhuǎn)，車身并不能前進(jìn)。如果想讓一輛靜止的汽車改變靜止?fàn)顟B(tài)為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必須得對(duì)它施加一定的外力，也就是物理學(xué)上常說(shuō)的，必須得有一個(gè)不是汽車本身施加的力作用到汽車身上。這個(gè)外力，不是別的，就是物理學(xué)上一種很常見的作用力，即與汽車前進(jìn)方向相反的一種力——地面給予這輛汽車的摩擦力。那么，這個(gè)方向向前的摩擦力是怎么形成的呢？它在汽車前進(jìn)中又起著什么作用呢？

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到車輪上，使車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。假設(shè)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，只是驅(qū)動(dòng)后車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)時(shí)候，輪胎外圍與路面有相對(duì)向后的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，此時(shí)，輪胎受到了地面給予它的向前的摩擦力。這個(gè)方向朝前的摩擦力幫助汽車克服了行駛時(shí)的阻力，致使汽車得以順利向前行駛。在汽車的四個(gè)車輪中，位于車體前面的兩個(gè)車輪是從動(dòng)輪（四驅(qū)車除外），汽車發(fā)動(dòng)時(shí)，呈現(xiàn)出向前的運(yùn)動(dòng)趨，此時(shí)它的運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)于路面而言是向前的，摩擦力恰恰與驅(qū)動(dòng)力方向相反——相對(duì)于地面而言，摩擦力的方向是向后的，這也就是物理學(xué)上的阻力。汽車在這兩種力的作用下，完成向前行駛的動(dòng)作。所以，汽車由靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)給予的動(dòng)力與地面給予的摩擦力，是缺一不可的，否則汽車不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。

二、汽車轉(zhuǎn)向的安全問(wèn)題：摩擦力在汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)所起的作用

在現(xiàn)實(shí)生活中，汽車在改變運(yùn)動(dòng)路線（此處只論證轉(zhuǎn)彎）時(shí)，一般情況下，操作員會(huì)選擇降低車速，否則極易在轉(zhuǎn)彎時(shí)造成車輛側(cè)翻事故。如果我們將汽車的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)看作車輛在做圓周運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，那么在路況良好的城市道路上轉(zhuǎn)彎時(shí)，有輪胎和地面間側(cè)向靜摩擦力提供向心力。車輛轉(zhuǎn)彎的速度越大，其需要的向心力就越大，出現(xiàn)側(cè)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(yùn)動(dòng)，此時(shí)便需要有指向圓心的向心力作用，這個(gè)向心力從何而來(lái)？從物理學(xué)方面思考，這個(gè)向心力，需由車輪受到的靜摩擦力提供。而靜摩擦力的數(shù)值是在零和最大值之間變化的，所以，轉(zhuǎn)彎時(shí)汽車的速度只有維持在一個(gè)相應(yīng)的范圍，才能保證汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)車體平穩(wěn)地沿道路彎度行駛。如果速度過(guò)快，汽車運(yùn)動(dòng)的向心力高于最大靜摩擦力，汽車就會(huì)側(cè)翻或沖出彎道的外沿，造成事故。因此，在過(guò)彎道時(shí)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(shí)調(diào)整前進(jìn)速度，保證安全順利通過(guò)彎道?？傊?，摩擦力在汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中起著不容忽視的作用。

三、汽車制動(dòng)的問(wèn)題：摩擦力在汽車剎車時(shí)所起的作用

汽車制動(dòng)系統(tǒng)的作用是使行駛中的汽車根據(jù)路況或操作員自身的需求降低速度甚至停車。汽車制動(dòng)時(shí)，駕駛員踩下制動(dòng)踏板，使得摩擦片緊壓在隨車輪旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)盤上。此時(shí)，固定在車體上的摩擦片就會(huì)對(duì)本來(lái)旋轉(zhuǎn)著的制動(dòng)盤產(chǎn)生一個(gè)摩擦力矩，這個(gè)摩擦力的方向與車輪運(yùn)動(dòng)的方向是相反的。本來(lái)，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(guò)車輪和地面之間形成一個(gè)方向向前的摩擦力。這樣，這個(gè)反作用的摩擦力就變成了汽車的制動(dòng)力。

在生活中或影視作品中，我們常會(huì)看到，交警在勘測(cè)交通事故現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，手拿卷尺丈量事故車輛留在地面上的剎車痕跡的長(zhǎng)度，這個(gè)長(zhǎng)度是勘定事故時(shí)一個(gè)重要的參考指標(biāo)。事實(shí)上，但凡在路面上留下很長(zhǎng)一段、連續(xù)性剎車痕跡的車輛，其操作員的剎車方法都是存在一定問(wèn)題的——沒(méi)有認(rèn)識(shí)和最大限度地利用靜摩擦力，導(dǎo)致剎車距離較長(zhǎng)，形成“腳踩香蕉皮，滑到哪里是哪里”的危險(xiǎn)局面，最終導(dǎo)致事故的發(fā)生，害人害己。那么，是否有更好的制動(dòng)方式呢？有經(jīng)驗(yàn)的操作員都知道，點(diǎn)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(dòng)裝置的“內(nèi)摩擦”使車輪轉(zhuǎn)速迅速下降，另一方面反復(fù)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(zhuǎn)向的能力。

站在能量轉(zhuǎn)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(lái)克服輪胎跟地面間的滑動(dòng)摩擦力做功。采取點(diǎn)剎時(shí)，汽車的動(dòng)能主要消耗在剎車裝置的內(nèi)部，輪胎跟地面仍保持不滑動(dòng)，所以輪胎與地面之間始終為靜摩擦。由于f靜>f動(dòng)，所以剎車距離也就小了。

為了防止操作員因“一剎到底”而導(dǎo)致事故，目前多數(shù)汽車安裝了“防抱死剎車裝置（ABS）”。裝有ABS的汽車能對(duì)車輪的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)車輪發(fā)生抱死時(shí)（此時(shí)為滑動(dòng)摩擦），汽車的行車電腦（ECU）會(huì)立即發(fā)出指令，放松剎車，摩擦片高速點(diǎn)動(dòng)制動(dòng)盤，使車輪不會(huì)與地面發(fā)生劇烈滑動(dòng)摩擦，從而使汽車在整個(gè)過(guò)程中最大限度地利用靜摩擦力，減小剎車距離，進(jìn)而達(dá)到安全有效的剎車目的。

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