徐從茂

隨著人們生活水平的日益提高，小汽車越來越多地走進(jìn)了千家萬戶.汽車中的物理知識有很多.本文主要談?wù)剝蓚€(gè)力學(xué)問題在汽車中的應(yīng)用.

一、小汽車的車身為什么設(shè)計(jì)成流線型

汽車尾翼在F1賽車上所使用的擾流翼其實(shí)基本原理與飛機(jī)的機(jī)翼是相同的，后來才被移植于普通汽車上.只不過飛機(jī)的機(jī)翼是產(chǎn)生向上抬升的力量，而賽車的擾流翼則是要產(chǎn)生向下壓制的力量.這是飛機(jī)機(jī)翼的剖面，當(dāng)空氣流經(jīng)機(jī)翼時(shí)，由于通過機(jī)翼上方的氣流速度較快，下方的氣流速度較慢，因此翼面上方的空氣壓強(qiáng)降低，相對的翼面下方的空氣壓強(qiáng)較大，所以產(chǎn)生向上抬升的力量，而且速度越快壓力差越大.如果把機(jī)翼倒過來，就是簡單的賽車擾流翼了，效果也就相反，產(chǎn)生向下壓制的力量，通常我們稱之為下壓力.

車在高速行駛時(shí)，根據(jù)空氣動力學(xué)原理，我們知道汽車在行駛過程中會遇到空氣阻力，圍繞汽車重心同時(shí)產(chǎn)生縱向、側(cè)向和垂直上升的三個(gè)方向的空氣動力量，其中縱向?yàn)榭諝庾枇?

為了有效地減少并克服汽車高速行駛時(shí)空氣阻力的影響，人們設(shè)計(jì)使用了汽車尾翼，其作用就是使空氣對汽車產(chǎn)生第四種作用力，即產(chǎn)生較大的對地面的附著力，它能抵消一部分升力，有效控制汽車上浮，使風(fēng)阻系數(shù)相應(yīng)減小.使汽車能緊貼在道路地面行駛，從而提高行駛的穩(wěn)定性能.目前大多數(shù)汽車尾翼都是根據(jù)車身的寬度，經(jīng)過精確計(jì)算用玻璃纖維或碳素纖維制成的，既輕巧又堅(jiān)韌，不宜過大也不宜過小，不然反而會增加轎車的行車阻力或起不到減阻節(jié)能的作用.一般情況下，不同形狀的車身和不同的行駛速度，造成空氣動力壓值的差.當(dāng)汽車在時(shí)速超過60 km/h，空氣阻力就會大量消耗發(fā)動機(jī)的能量，影響車速.隨著高速公路的快速發(fā)展，現(xiàn)今汽車的時(shí)速已達(dá)100 km/h左右，車速越快，阻力越大，升力也就隨著增大，其上升氣流就會將汽車托起，減少車輪與地面附著力，使汽車飄浮，穩(wěn)定性變差，易發(fā)生交通事故.

汽車尾翼的作用，就是在汽車高速行駛時(shí)，使空氣阻力形成一個(gè)向下的壓力，盡量抵消升力，有效控制氣流下壓力，使風(fēng)阻系數(shù)相應(yīng)減小，故其空氣阻力系數(shù)也不同.

二、汽車前進(jìn)的動力問題.摩擦力在汽車中究竟起什么作用

汽車前進(jìn)輪胎的摩擦力如何？輪子在地上能夠“向前”滾動，是因?yàn)檩喿优c地面之間有“滾動摩擦”.（某一時(shí)刻，輪胎上的一點(diǎn)與地面接觸，本來由于它處于圓周運(yùn)動狀態(tài)，而有一個(gè)沿切線方向向后的力，有“相對于地面向后”的運(yùn)動趨勢，但是由于受到摩擦作用而并沒有發(fā)生相對于地面的位移，使得輪胎上部的其他點(diǎn)因?yàn)橄路接辛艘粋€(gè)“著力點(diǎn)”，才能繼續(xù)向下轉(zhuǎn)動而陸續(xù)與地面前方的點(diǎn)接觸） 輪胎因?yàn)槟p嚴(yán)重，或是因路面過于光滑，使得輪胎與地面之間的滾動摩擦很小，稍一“著力”就沿切線方向向后滑動了，從而使得輪胎上部的其他點(diǎn)失去了這個(gè)“相對沒有發(fā)生位移的著力點(diǎn)”，而只能陸續(xù)與地面上“原來與輪胎接觸的點(diǎn)”甚至“這個(gè)點(diǎn)后面的其他點(diǎn)”接觸，造成輪子原地打滑，甚至后退的現(xiàn)象. 打滑一段時(shí)間后，由于持續(xù)的摩擦可能會破壞原本光滑的路面，或是偶爾有輪胎上的一點(diǎn)被“滯”住了，于是輪胎就可以繼續(xù)向前滾動了.

摩擦力在汽車中究竟起什么作用？這個(gè)問題在現(xiàn)行的中學(xué)物理教材中未予系統(tǒng)的闡明，僅指出汽車在水平方向所受的作用力為向前的牽引力和向后的阻力.但沒有說明什么是牽引力，什么是阻力.因而，學(xué)生常常認(rèn)為摩擦力是汽車前進(jìn)的阻力，有發(fā)動機(jī)產(chǎn)生汽車前進(jìn)的動力，這顯然是錯(cuò)誤的，要明白這一點(diǎn)，我們應(yīng)弄清楚汽車前進(jìn)時(shí)的以下幾個(gè)問題.

1.行駛時(shí)主動輪所受摩擦力是汽車的動力.我們知道汽車輪有主動和從動之分，一般后面的兩個(gè)為主動輪，前面的兩個(gè)為從動輪.汽車行駛時(shí)發(fā)動機(jī)產(chǎn)生使主動輪沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩，使主動輪沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，主動輪與地面接觸處產(chǎn)生向后運(yùn)動的趨勢，地面要阻礙輪的轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生一個(gè)使主動輪沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動的阻力矩，對主動輪提供阻力矩的就是向前的靜摩擦力，它和輪與地面相對運(yùn)動的趨勢相反，是汽車前進(jìn)的動力.

增加發(fā)動機(jī)的功率，會使主動輪沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩增大，主動輪轉(zhuǎn)速增加，這時(shí)，要達(dá)到力矩平衡，地面對輪的阻力矩也增大，靜摩擦力增大，從而牽引力增大，因此，汽車在加速時(shí)需要加大油門，利用提高發(fā)動機(jī)的功率來增大牽引力.減小油門時(shí)，其主動輪沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動的阻力矩也減小提供牽引力的靜摩擦力減小，從而汽車的牽引力小于阻力，汽車做減速運(yùn)動.

2.行駛時(shí)從動輪與地面之間是滾動摩擦.汽車行駛時(shí)從動輪相對于地面是滾動的，它與地面之間的摩擦力是滾動摩擦；由于從動輪屬于被動向前，地面對它的摩擦阻礙它轉(zhuǎn)動，因此，其所受摩擦力為阻力、方向向后；又滾動摩擦小于滑動摩擦，故這樣設(shè)計(jì)可以減小汽車所受的阻力.

汽車行駛時(shí)所受的阻力主要有從動輪所受滾動摩擦力和空氣阻力，不是單一的滾動摩擦力.因此我們在設(shè)計(jì)習(xí)題牽涉到汽車的阻力時(shí)，一般說汽車所受的阻力是車重的多少倍，而不是說摩擦因素是多少.

滾動摩擦力的大小與汽車對地面的壓力有關(guān)，壓力越大，摩擦力越大，對汽車的阻礙作用就越大，因此，汽車載重越大，所需要的動力就越大，我們在設(shè)計(jì)車的時(shí)候，往往讓汽車主動輪承重稍大，從動輪輪承重稍小，以增大主動輪的最大靜摩擦力和減小從動輪的阻力；空氣阻力與車速和受力面積有關(guān)，車速越大，阻力越大，受力面積越大，阻力越大，因此，汽車快速行使需要的動力就大.

由于汽車技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對汽車性能的需求也日趨全面，這也促使更多的汽車中的物理知識應(yīng)用于汽車上.

物理知識的形成來源于生活.在物理教學(xué)中，教師巧妙地運(yùn)用學(xué)生在生活中的感知，以激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲，更便于物理知識的學(xué)習(xí)和理解.