谈汽车中的物理学

张宇轩

摘要：物理知识和物理现象普遍存在于我们的生活中，汽车在马路上行驶，体现出物理中的力学规律。本文主要阐述了汽车行驶中的关于摩擦力和空氣阻力的相关力学问题，并且对这一类力学问题进行了总结和详细的研究分析。

关键词：物理学；汽车驾驶；力学问题

现在社会中，人们通过高超的智慧发明了交通工具，用汽车代替了以前的马车，推动了工业的发展，同时也在一定程度上方便了人们的日常生活，为人类节省了大量的时间从而提高生活质量和效率，也为动力机制的变革做出了巨大的贡献。由此可见，物理学的出现推动了社会的变革与发展。汽车刚出现的时候，依靠蒸汽机作为它的动力系统，其作用原理是将热能转化为机械能，从而推动汽车内部器件的运行使汽车得以行驶，这个例子体现出物理学中的热学和力学的问题，接下来将对汽车中相关物理学的问题进行分析。

一、汽车行驶中的摩擦力

汽车在行驶过程中，依靠轮胎与地面的摩擦力使汽车向前行驶或停止。在刹车的时候，通过轮胎和地面的摩擦力，使汽车的速度减缓下来直至停止。接下来将会从汽车启动、转弯以及刹车三个方面进行详细分析。

1.汽车启动时面临的摩擦力

在日常生活中所接触的汽车，一般都是两驱汽车，通过发动机和后轮连接组合成为主动轮。通常在汽车的启动过程中，发动机的转动为后轮的旋转提供了动力，车胎与地面产生的摩擦力与汽车行驶方向相反，从而推动了汽车向前行驶。如果车胎与地面产生的摩擦力较小就会发生打滑的现象。汽车的前轮为从动轮，当后轮产生的静摩擦力大于前轮所产生的静摩擦力时，汽车会获得更大的驱动力，促使汽车向前加速行驶。

2.汽车拐弯时面临的摩擦力

汽车在马路上转弯的时候会产生一种向心力，如果汽车的速度越快，产生的向心力就会越大，而这种向心力主要由车胎与地面产生的横向静摩擦力所提供。当向心力超过了最大的横向静摩擦力时就会发生离心运动，而此时的汽车速度已经超过了正常转弯速度的最大值，汽车会偏离马路，造成严重的交通事故。因此在转弯的时候一定要注意减速慢行，避免交通事故的发生。

3.汽车刹车时面临的摩擦力

当遇到一些紧急情况时，我们的汽车需要快速的刹车，而在这一过程中，由于惯性的作用，已经刹住的汽车轮胎会向前滑行一段距离。但是如果我们开车速度比较快的时候，快速刹车会导致汽车受力不均衡发生交通事故，这主要与车胎和地面的粗糙程度有关。当路面比较粗糙时，产生的摩擦力就越大；在雨雪天时，积雪和雨水会造成路面比较光滑，在这种情况下产生的摩擦力就比较小。因此，行驶者在雨雪天时一定要控制汽车的速度，避免刹不住车发生追尾或者滑坡等事故，减少人体受到伤害。目前我们的大部分汽车都装有A B S防抱死系统，能够使车轮与地面达到一种将滑未滑的状态，从而让汽车保持着与地面存在最大摩擦力的状态，从而当刹车的加速度大于车轮滑动加速度时，刹车时间会缩短很多，减少汽车的追尾和碰撞事故的发生，保护行驶者的人身安全。

二、汽车行驶中的空气阻力

在汽车的行驶过程中，也会有一部分空气阻力的影响，汽车本身的机械阻力不会随着汽车的速度变化而变化，但是空气阻力会随着汽车的速度加快而加大。因此我们可以将汽车的机械阻力看成一个常量，空气阻力看成一个变量，一般来说空气阻力分为以下几个方面：

1.压力阻力

汽车所受到的压力阻力，主要分为压差阻力和迎面阻力两种，是汽车空气阻力中的主要组成部分。什么是迎面阻力？迎面阻力就是汽车行驶时，车头所受的空气阻力。车头的面积越大，受到的空气阻力就越大，这就是汽车的设计者为什么会将汽车的车头设计成流线型的原因所在。而所谓的压差阻力，就是汽车在行驶过程中空气会流向车尾，车尾的平面部分会受到十分严重的湍流，形成空气分离区，分离区的负压与车头的正压产生压差，产生了阻碍汽车行驶的力。压差阻力不能通过延长车尾来减少，为汽车工程师提供了新的难题，目前主要的解决方式是改变车头的设计和道路的坡度。一些工程师通过扩散器吹散分离区，减少压差阻力，从而减少汽车能源的损耗。未来的汽车压差阻力需要我们这些风华正茂的高中生去解决，所以我们一定要努力学好物理学的基本知识，为未来汽车行业的发展做出更大的贡献。

2.机舱阻力与诱导阻力

阻碍汽车行驶的阻力还包括机舱阻力与诱导阻力。目前许多汽车都是采用流线型设计来减少这种阻力，但是发动机与空气的摩擦也会产生一部分观察不到的阻力。汽车设计师设计的发动机不是流线型的结构，使得发动机舱会面临一部分空气阻力，这一部分的阻力占到总阻力的1 2 % 左右。这些阻力是通过使用可控制开关的格栅来减少的，在汽车高速行驶并且发动机无需冷却的时候，我们将进气的格栅关闭，禁止外面的气流进入，来降低机舱阻力。诱导阻力在行驶过程中比较微小，但是它也在风阻方面的占比达到了7%。它的来源主要是汽车的压差，在汽车的高速行驶时，车体的气流与车盘的气流有差异的时候，会产生诱导阻力。这些诱导阻力的处理，我们是通过在汽车外形的设计上，设计出一些伸出的边沿，与飞机上翼的设计方法相仿，都是通过切断车身两个平面的空气流动来减少诱导阻力的产生，从而减少了一些不必要的机械能的损耗，营造一种绿色环保的新的氛围，为建造可持续发展的社会做出了贡献。

三、结语

汽车的产生与发展是人类的交通史上一个重要的里程碑，推动了社会工业的发展，方便了我们的生活，提高了我们的工作质量和效率。当然，汽车本身的设计也是非常复杂的，它涉及我们在高中所学到的物理知识，如摩擦力、向心力等等。汽车是智慧创新的结晶，是科技发展进步的标志，通过本篇文章的梳理，使我们能够更好的处理汽车在行驶时有关摩擦力的问题，也使我们高中生可以更加细微的观察生活，树立了高中生的努力方向，让我们能够正确的去认识并且驾驶机动车辆，减少交通事故的发生。同时也对未来汽车的车型构造创新有所帮助，丰富了我们的课堂之外的知识，让我们的学习多姿多彩，激发更大的学习兴趣，有助于我们个人知识面的拓展。

参考文献：

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[2]危银涛，马春生，冯希金.汽车工程中的若干力学问题[J].力学与实践，2012，（4）：1-7.