生活中的物理學

王睿

摘 要：在日常生活中，物理知識與物理現(xiàn)象無處不在。在汽車駕駛過程中，許多現(xiàn)象也都體現(xiàn)著物理力學規(guī)律。本文以汽車駕駛為例，對汽車駕駛中涉及的一些力學問題作出了歸納與探討。

關(guān)鍵詞：物理學；汽車駕駛；力學問題

物理學科中涉及的內(nèi)容源于生活又可以用于生活，這些內(nèi)容不僅影響著人類活動的眾多領(lǐng)域，而且也是推動社會發(fā)展的重要動力。在日常生活中，與物理知識相關(guān)的現(xiàn)象無處不在，挖掘物理知識與現(xiàn)實生活的聯(lián)系，對于更好地掌握物理知識、做到學以致用具有著重要意義。

在人類文明不斷發(fā)展的過程中，科學技術(shù)的進步讓人們許多美好的愿景成為了現(xiàn)實。200多年前，汽車的出現(xiàn)成為了人類工業(yè)史和交通史中重要的里程碑，這一交通工具替代了馬車，并在動力機制方面做出了變革。在此過程中，物理學發(fā)揮出了重要的推動作用，如最早的汽車使用蒸汽機作為動力系統(tǒng)，這種動力系統(tǒng)能夠?qū)崮苻D(zhuǎn)換為機械能，這一過程則涉及物理學中的熱學和力學問題。除此之外，汽車行駛過程中也涉及很多的力學問題，本文則對這些力學問題中的部分內(nèi)容做出了探討。

一、 汽車行駛中的摩擦力

在汽車行駛過程中，無論是汽車內(nèi)部還是汽車與外界之間，都會產(chǎn)生一定的摩擦力，對這些摩擦力的了解，可以從汽車啟動、轉(zhuǎn)彎以及剎車三個過程中入手。

（一） 汽車啟動時面臨的摩擦力

在兩驅(qū)的汽車中，一般發(fā)動機會與后輪形成連接，形成主動輪。當汽車啟動時，發(fā)動機會帶動后輪旋轉(zhuǎn)，后輪與地面接觸時則會產(chǎn)生與行駛方向相反的摩擦力，當后輪沒有發(fā)生打滑現(xiàn)象時，在汽車啟動的一瞬間，后輪相對于地面靜止，因此，汽車后輪會受到靜摩擦力的影響，并且這種靜摩擦力為向前的力。在此過程中，前輪作為從動輪，會在車輛推動下產(chǎn)生向前運動的趨勢，因此，前輪也會受到靜摩擦力的影響，并且這種靜摩擦力向后。當后輪所受到的靜摩擦力大于前輪所受到的靜摩擦力時，汽車就會加速向前運動。

（二） 汽車拐彎時面臨的摩擦力

在汽車拐彎過程中，需要具備一個向心力，汽車行駛的速度越快，所需要的向心力也就越大。這一向心力的產(chǎn)生主要來自于汽車輪胎與地面所發(fā)生的橫向靜摩擦力。如果靜摩擦力達到極值，即行駛速度過大，向心力超過這一極值時，汽車就會產(chǎn)生離心運動，此時的汽車很容易偏離正常的軌道，并產(chǎn)生交通事故。也正因為如此，在公路的緊急轉(zhuǎn)彎地帶，一般設(shè)有限速提示，從而通過提醒駕駛者降低行駛速度實現(xiàn)安全過彎。

（三） 汽車剎車時面臨的摩擦力

在汽車剎車過程中，假設(shè)全部輪胎都已經(jīng)剎住，但是受到慣性影響，汽車仍舊會向前行駛，輪胎與地面之間則會產(chǎn)生摩擦力。根據(jù)運動學公式：t=v0/a和s=v20/2a可知，在摩擦力一定的情況下，汽車的行駛速度越快，剎車時間以及剎車之后汽車的行進距離也就越長，因此，當汽車速度較快時，緊急剎車容易發(fā)生交通事故。當然，在汽車行駛過程中，輪胎與地面之間的摩擦力和輪胎以及路面的粗糙程度都緊密相關(guān)，因此，下雨、下雪也會導(dǎo)致輪胎與地面之間的摩擦力變小，并延長剎車時間和剎車之后的行車距離。由此可見，在陰雨下雪天氣，汽車駕駛者有必要控制駕駛速度，從而更好地保證行駛安全。當然，以上的分析都建立在汽車剎車系統(tǒng)沒有其他輔助裝置的前提之上，而現(xiàn)在大多數(shù)汽車所具有的ABS防抱死剎車系統(tǒng)，則能夠讓車輪與地面之間產(chǎn)生將滑未滑的狀態(tài)，這讓汽車與地面的摩擦力呈現(xiàn)為最大靜摩擦力的狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，汽車剎車過程中的加速度要大于車輪滑動的加速度，車輛的剎車時間也可以有效縮短，這對于避免汽車發(fā)生追尾、碰撞事故具有著重要意義。

二、 汽車行駛中的空氣阻力

在我們駕駛汽車的過程中，當汽車行駛速度在90 km/h以下時，機械阻力是汽車行駛面臨的主要阻力，這些機械阻力包括輪胎和地面產(chǎn)生的摩擦以及發(fā)動機內(nèi)部所產(chǎn)生的摩擦等；當汽車行駛速度達到90 km/h以上時，則汽車所面臨的主要阻力變?yōu)榭諝庾枇?。從機械阻力與空氣阻力的差別來看，機械阻力不會隨著汽車行駛速度的改變而產(chǎn)生改變，而空氣阻力則會隨汽車速度的加大而不斷加大，由此可見，機械阻力屬于汽車行駛所面臨的常量，而空氣阻力則是汽車行駛所面臨的變量。具體而言，汽車行駛中所面臨的空氣阻力主要包括以下幾種類型：

（一） 壓力阻力

在汽車行駛過程中，汽車所面臨的壓力阻力又包括壓差阻力與迎面阻力兩種，這都是汽車行駛面臨的最主要的空氣阻力之一。迎面阻力即汽車前進過程中，車頭所面臨的阻力，這一阻力與汽車車頭的面積具有緊密的關(guān)聯(lián)，即汽車車頭面積越大，汽車所面臨的迎面阻力也越大。在迎面阻力問題的解決中，可以采用流線型設(shè)計方法降低汽車行駛所面臨的迎面阻力。壓差阻力指的是汽車行駛過程中，空氣會逐漸流向車尾，而車尾垂直平面部分則面臨著十分嚴重的湍流，并且形成空氣分離區(qū)，這個分離區(qū)中的負壓和汽車車頭所面臨的正壓產(chǎn)生壓差，并形成與汽車行駛方向相反的阻力。從理論上來看，壓差阻力的降低可以通過延長車尾來完成，通過避免形成空氣分離區(qū)來實現(xiàn)壓差阻力的降低。然而事實上，如果汽車這樣設(shè)計，則會降低汽車本身所具有的功能性，因此，壓差阻力的降低一直是汽車工程師所面臨的重要難題。從當前來看，壓力阻力的解決主要采用了圓潤的車頭設(shè)計和緩和的道路坡度來解決，與此同時，汽車工程師也往往會利用擴散器吹散車尾的空氣分離區(qū)，從而降低壓差阻力。

（二） 機艙阻力與誘導(dǎo)阻力

在汽車行駛過程中，發(fā)動機與空氣之間也會產(chǎn)生一定的隱形阻力。雖然許多汽車都采用流線型設(shè)計來降低空氣阻力，但是一些空氣卻可以通過汽車格柵吹向發(fā)動機，顯然，發(fā)動機的造型并不具備流線型的特征，這也讓發(fā)動機艙面臨著一定的空氣阻力。從汽車所面臨的整體閥組來看，發(fā)動機艙阻力占到了總阻力的12%左右。為了解決這一問題，越來越多的汽車開始使用可控制開關(guān)的格柵，當汽車高速行駛并且發(fā)動機無需冷卻時，則汽車駕駛者可以將進氣格柵關(guān)閉，從而避免氣流進入發(fā)動機艙，以便實現(xiàn)機艙阻力的降低。endprint

誘導(dǎo)阻力雖然在汽車行駛過程中并不明顯，但是這種阻力在汽車風阻方面的占比也達到了7%。誘導(dǎo)阻力的產(chǎn)生同樣是源于壓差，即在汽車高速行駛的過程中，如果車體空氣流速與車輛底盤下的空氣流速不同時，汽車將會面臨誘導(dǎo)阻力。為了降低車輛行駛中所面臨的這一阻力，汽車工程師往往會在汽車上設(shè)計一些伸出的邊沿，這種設(shè)計的功能與飛機上的翼稍小翼類似，都會產(chǎn)生隔絕汽車兩個平面間的空間流動、并降低誘導(dǎo)阻力的作用。

三、 汽車行駛中的其他力學問題

（一） 汽車行駛中的牽引力

汽車行駛中的牽引力與汽車所具有的發(fā)動機以及汽車發(fā)動機的功率具有著緊密的關(guān)系。在汽車行駛過程中，如果額定功率不變，則汽車的行駛速度與汽車的牽引力呈現(xiàn)反比關(guān)系，即汽車速度越小，牽引力也就越大，因此，在汽車啟動階段，由于汽車行駛速度較小，所以汽車所受到的牽引力大于汽車所受到的阻力。當汽車勻速行駛時，汽車所受到的牽引力與所受到的阻力持平。當汽車上坡時，則汽車所受到的阻力較大，為了增大汽車的牽引力以實現(xiàn)汽車的向前運動，則需要減速慢行，利用低擋上坡。

（二） 汽車行駛中的的內(nèi)能

汽車行駛需要能源，而這種能源主要是指汽油或者電能。在汽車行駛過程中，汽油與電能可以轉(zhuǎn)換為機械能，而機械能則可以轉(zhuǎn)化為機動車行駛的內(nèi)能。以燃油汽車為例，汽油燃燒越充分，能源則具有更高的利用率。而在緊急剎車過程中，許多機械能會向內(nèi)能轉(zhuǎn)化，這就降低了能源的充分利用，因此，在車輛行駛過程中，應(yīng)當避免過多出現(xiàn)緊急剎車的情況，從而提高能源利用效率。

結(jié)語

汽車的出現(xiàn)是人類交通史上重要的革命，汽車是一種復(fù)雜的整體，其行駛過程也受到了諸多力學問題的影響，從當前來看，無論是汽車的整體結(jié)構(gòu)還是動力驅(qū)動，都對科技的創(chuàng)新與應(yīng)用作出了體現(xiàn)。綜上所述，物理學是一項極具生活性的學科，在駕駛汽車的過程涉及的力學問題中，摩擦力與空氣阻力是最為主要的內(nèi)容。通過了解這些內(nèi)容，對于汽車的安全駕駛以及汽車設(shè)計都具有著重要的現(xiàn)實意義。

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