汽车安全行驶，谁最给“力”

李泓宇

摘 要：汽车作为一种快捷、实用、贴近大众生活的交通工具，受到了现代人的青睐。汽车在设计和制造过程中，离不开物理学一个重要分支——力学。摩擦力是阻碍物体相对运动的力。汽车行进时需要摩擦力，制动系统系统也需要摩擦力。那么，摩擦力在汽车几大系统中是如何被应用的呢？

关键词：摩擦力；汽车动力系统；转向系统；制动系统

中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：1673-9132（2018）06-0155-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2018.06.098

随着现代社会经济日益发达，汽车制造业蓬勃发展，而在汽车的设计和制造过程中都离不开物理学中一个重要分支——力学。笔者着重从汽车动力系统、转向系统和制动系统方面谈谈摩擦力的应用。

一、汽车前进的动力问题：摩擦力在汽车前进中所起的作用

人们通常以为，汽车能在道路上行驶，最大的功臣莫过于汽车的“心脏”——发动机，只要发动机有牵引力，汽车便可自由行驶。站在物理学角度分析，这种观念是片面的。原因众所周知，从物理学方面而言无论多大的内动力，都不能直接改变物体的运动状态。例如，我们把一辆汽车吊起来，使之四轮悬空，然后发动汽车，这时你会发现，不论如何加大动力，也就是无论如何踩油门，车轮都只是空转，车身并不能前进。如果想让一辆静止的汽车改变静止状态为运动状态，必须得对它施加一定的外力，也就是物理学上常说的，必须得有一个不是汽车本身施加的力作用到汽车身上。这个外力，不是别的，就是物理学上一种很常见的作用力，即与汽车前进方向相反的一种力——地面给予这辆汽车的摩擦力。那么，这个方向向前的摩擦力是怎么形成的呢？它在汽车前进中又起着什么作用呢？

汽车发动机的转动通过传动系统传递到车轮上，使车轮转动。假设当发动机工作时，只是驱动后车轮转动。这个时候，轮胎外围与路面有相对向后的运动趋势，此时，轮胎受到了地面给予它的向前的摩擦力。这个方向朝前的摩擦力帮助汽车克服了行驶时的阻力，致使汽车得以顺利向前行驶。在汽车的四个车轮中，位于车体前面的两个车轮是从动轮（四驱车除外），汽车发动时，呈现出向前的运动趋，此时它的运动方向相对于路面而言是向前的，摩擦力恰恰与驱动力方向相反——相对于地面而言，摩擦力的方向是向后的，这也就是物理学上的阻力。汽车在这两种力的作用下，完成向前行驶的动作。所以，汽车由静止状态达到运行状态，发动机给予的动力与地面给予的摩擦力，是缺一不可的，否则汽车不会产生运动。

二、汽车转向的安全问题：摩擦力在汽车转弯时所起的作用

在现实生活中，汽车在改变运动路线（此处只论证转弯）时，一般情况下，操作员会选择降低车速，否则极易在转弯时造成车辆侧翻事故。如果我们将汽车的转弯运动看作车辆在做圆周运动的过程，那么在路况良好的城市道路上转弯时，有轮胎和地面间侧向静摩擦力提供向心力。车辆转弯的速度越大，其需要的向心力就越大，出现侧翻或滑出路道路事故的几率就越大。

假定汽车以最快速度做匀速圆周运动，此时便需要有指向圆心的向心力作用，这个向心力从何而来？从物理学方面思考，这个向心力，需由车轮受到的静摩擦力提供。而静摩擦力的数值是在零和最大值之间变化的，所以，转弯时汽车的速度只有维持在一个相应的范围，才能保证汽车在转弯时车体平稳地沿道路弯度行驶。如果速度过快，汽车运动的向心力高于最大静摩擦力，汽车就会侧翻或冲出弯道的外沿，造成事故。因此，在过弯道时我们需要充分考虑弯道弯度大小、地面坡度、粗糙程度等因素，适时调整前进速度，保证安全顺利通过弯道。总之，摩擦力在汽车的转向系统中起着不容忽视的作用。

三、汽车制动的问题：摩擦力在汽车刹车时所起的作用

汽车制动系统的作用是使行驶中的汽车根据路况或操作员自身的需求降低速度甚至停车。汽车制动时，驾驶员踩下制动踏板，使得摩擦片紧压在随车轮旋转的制动盘上。此时，固定在车体上的摩擦片就会对本来旋转着的制动盘产生一个摩擦力矩，这个摩擦力的方向与车轮运动的方向是相反的。本来，车轮与路面之间存在着一定的向后的摩擦力（反作用力），摩擦力矩通过车轮和地面之间形成一个方向向前的摩擦力。这样，这个反作用的摩擦力就变成了汽车的制动力。

在生活中或影视作品中，我们常会看到，交警在勘测交通事故现场时，手拿卷尺丈量事故车辆留在地面上的刹车痕迹的长度，这个长度是勘定事故时一个重要的参考指标。事实上，但凡在路面上留下很长一段、连续性刹车痕迹的车辆，其操作员的刹车方法都是存在一定问题的——没有认识和最大限度地利用静摩擦力，导致刹车距离较长，形成“脚踩香蕉皮，滑到哪里是哪里”的危险局面，最终导致事故的发生，害人害己。那么，是否有更好的制动方式呢？有经验的操作员都知道，点刹法，是一种安全且有效的刹车方法。其原理即保持车轮与地面之间的摩擦力始终为静摩擦力，快速地踩、放、踩、放刹车。一方面充分利用刹车制动装置的“内摩擦”使车轮转速迅速下降，另一方面反复利用轮胎跟地面的静摩擦力就能使汽车更快地减速，并保持能让汽车转向的能力。

站在能量转换的角度分析，采取一刹到底的方法，即车轮被抱死，汽车完全用来克服轮胎跟地面间的滑动摩擦力做功。采取点刹时，汽车的动能主要消耗在刹车装置的内部，轮胎跟地面仍保持不滑动，所以轮胎与地面之间始終为静摩擦。由于f静>f动，所以刹车距离也就小了。

为了防止操作员因“一刹到底”而导致事故，目前多数汽车安装了“防抱死刹车装置（ABS）”。装有ABS的汽车能对车轮的运动进行监控，一旦发现车轮发生抱死时（此时为滑动摩擦），汽车的行车电脑（ECU）会立即发出指令，放松刹车，摩擦片高速点动制动盘，使车轮不会与地面发生剧烈滑动摩擦，从而使汽车在整个过程中最大限度地利用静摩擦力，减小刹车距离，进而达到安全有效的刹车目的。

参考文献：

[1] 王杰.浅谈摩擦力在汽车行驶中的作用[J].黑龙江科技信息，2009（13）.

[2] 陶成龙.汽车里的物理问题[J].物理教学探讨，2004（10）.endprint