陳國杰 陳 奎 謝嘉寧 陳偉成
(佛山科學技術(shù)學院物理與光電工程學院,廣東佛山 528000)
汽車牽引力的物理圖像與本質(zhì)探討
陳國杰 陳 奎 謝嘉寧 陳偉成
(佛山科學技術(shù)學院物理與光電工程學院,廣東佛山 528000)
從質(zhì)點系運動定理出發(fā),利用力的平移原理,建立了汽車牽引力的物理圖像,分析了驅(qū)動輪靜摩擦力的能量變換機理,闡述了牽引力的本質(zhì).驅(qū)動輪和從動輪的靜摩擦力均對平動和轉(zhuǎn)動具有雙重作用.牽引力是汽車發(fā)動機產(chǎn)生的、由驅(qū)動輪靜摩擦力變換的使汽車運動的等效力.在質(zhì)點模型中,牽引力不是等效于驅(qū)動輪的靜摩擦力,而是等效于發(fā)動機的驅(qū)動力矩與驅(qū)動輪的摩擦力的綜合效果.
汽車;牽引力;摩擦力;物理圖像
在物理教學中,常遇到牽引力使汽車產(chǎn)生加速度和做功等問題.對于汽車牽引力的涵義,教材和文獻有多種解釋.一種解釋認為汽車牽引力是發(fā)動機作用于驅(qū)動輪的驅(qū)動力矩;[1]但這種解釋不能回答“驅(qū)動力矩是內(nèi)力,內(nèi)力不能產(chǎn)生加速度”的問題.第二種解釋認為汽車牽引力是地面作用于驅(qū)動輪的靜摩擦力;[2]但這種解釋不能回答“靜摩擦力不做功,汽車的平動動能來自什么力做功”的問題.第三種解釋認為牽引力是發(fā)動機的驅(qū)動力矩與驅(qū)動輪靜摩擦力的共同作用;[3]但這種解釋沒有清楚解釋它們相互作用的機理.還有文獻認為,汽車牽引力是發(fā)動機開啟與關(guān)閉時驅(qū)動輪靜摩擦力的增量,[4]等等.對于這些諸多解釋,學生莫衷一是,產(chǎn)生困惑.事實上,汽車運動包含車身平動和車輪轉(zhuǎn)動兩種形式,并且驅(qū)動輪和從動輪的靜摩擦力作用不同,因此在質(zhì)點模型中難以清楚解釋牽引力.本文從質(zhì)點系運動定理出發(fā),利用力的平移原理,建立汽車牽引力的物理圖像,分析驅(qū)動輪靜摩擦力的能量變換機理,闡述牽引力的本質(zhì),探討牽引力的教學方法.這對于汽車牽引力的正確理解和準確應(yīng)用具有重要的實際意義.
由于汽車包含了車身平動和車輪轉(zhuǎn)動,故在質(zhì)點系模型中分析其受力情況.為了突出靜摩擦力,忽略滾動摩擦力和空氣阻力,并設(shè)汽車水平向右運動,如圖1所示.其中,M驅(qū)為發(fā)動機通過傳動裝置作用于驅(qū)動輪的驅(qū)動力矩,W1為驅(qū)動輪的載重(含自重),N1為地面對驅(qū)動輪的支持力;W2為從動輪的載重(含自重),N2為地面對從動輪的支持力.汽車在垂直方向無加速度,故N1=W1,N2=W2.
假設(shè)車輪不打滑,當驅(qū)動輪在M驅(qū)作用下順時針轉(zhuǎn)動時,驅(qū)動輪的接地點相對地面有向左運動趨勢,因而受到地面向右的靜摩擦力f1作用;從動輪受到車身向右的推力作用,因而從動輪的接地面點對地面有向右運動趨勢,受到地面向左的靜摩擦力f2作用.為了表示f1是在M驅(qū)作用下產(chǎn)生的,圖1用虛線表示f1與M驅(qū)關(guān)聯(lián).
圖1 汽車質(zhì)點系模型受力圖
從圖1看到,驅(qū)動輪靜摩擦力f1具有雙重作用:一方面f1與汽車運動方向相同,推動汽車平動;另一方面f1產(chǎn)生阻力矩,阻礙驅(qū)動輪繞轉(zhuǎn)軸O順時針轉(zhuǎn)動.同樣,從動輪的靜摩擦力f2也具有兩種作用:一方面f2與汽車運動方向相反,因而阻礙從動輪平動;另一方面f2產(chǎn)生驅(qū)動力矩,使從動輪繞轉(zhuǎn)軸O′順時針轉(zhuǎn)動.f1和f2的雙重作用是車輪平動與轉(zhuǎn)動相互轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ).
為了分析驅(qū)動輪靜摩擦力f1的能量變換作用,將f1的作用點從圖2(a)的A點等效地平移到圖2(b)的軸心O點.根據(jù)力的平移原理,f1等效為力分量f1′和力矩分量M1的共同作用,f1′=f1,M1=f1r.設(shè)驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動慣量為I1,轉(zhuǎn)動角加速度為β,平動加速度為a,輪半徑為r,則在無滑動時,β=a/r.根據(jù)剛體轉(zhuǎn)動定律,有
圖2 驅(qū)動輪靜摩擦力的等效平移
設(shè)驅(qū)動輪繞轉(zhuǎn)軸O轉(zhuǎn)過dθ角,平動位移ds,則f1的力矩分量M1做的負功為AM1=-M1dθ=-f1r1dθ=-f1ds,吸收M驅(qū)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動動能;f1的力分量f1′做的正功為Af1′=f1′ds=f1ds,增加驅(qū)動輪的平動動能;f1所做的總功為Af1=Af1′+AM1=0,即f1不做功.這表明,盡管靜摩擦力f1不做功,但f1通過它的力分量和力矩分量分別做功,將發(fā)動機產(chǎn)生的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動動能變換為驅(qū)動輪的平動動能,從而推動汽車向前運動.
汽車牽引力是推動汽車運動的力,應(yīng)具有產(chǎn)生汽車質(zhì)心加速度和做功的兩個作用.圖2(b)展示了汽車牽引力的物理圖像:發(fā)動機的驅(qū)動力矩M驅(qū)與驅(qū)動輪靜摩擦力f1的力矩分量M1的合力矩使驅(qū)動輪繞軸轉(zhuǎn)軸O轉(zhuǎn)動;f1的力分量f1′作用于驅(qū)動輪的軸心O,具有對汽車平動做功和產(chǎn)生質(zhì)心加速度的雙重作用,因此f1′是等效的汽車牽引力,代表了M驅(qū)與f1的綜合作用.
根據(jù)上述牽引力的物理圖像,將圖1中汽車發(fā)動機的驅(qū)動力矩M驅(qū)和驅(qū)動輪的靜摩擦力f1對汽車的綜合作用(不是單純的驅(qū)動輪靜摩擦力f1)等效為f牽,于是得到汽車質(zhì)點模型的受力圖,如圖3所示.其中,f阻為從動輪的靜摩擦力f2(不含驅(qū)動輪的靜摩擦力f1),W為汽車總載重,N為地面對汽車的支持力,f阻=f2,W=W1+W2,N=N1+N2,在數(shù)值上f牽=f1.
由以上分析可知,產(chǎn)生牽引力需要兩個條件:一是發(fā)動機使驅(qū)動輪獲得驅(qū)動力矩,二是車輪和路面粗糙接觸使驅(qū)動輪獲得摩擦力.只有摩擦力,沒有發(fā)動機的驅(qū)動力,汽車只能原地不動;只有發(fā)動機的驅(qū)動力,沒有摩擦力,就沒有汽車運動的外力,汽車只能原地打轉(zhuǎn).汽車牽引力的本質(zhì)為:汽車牽引力是發(fā)動機的驅(qū)動力矩與驅(qū)動輪的靜摩擦力共同作用的等效力(圖2中f1′),驅(qū)動力矩是牽引力的動力源,驅(qū)動輪的摩擦力是牽引力的中介.因此,汽車牽引力應(yīng)表述為:牽引力是汽車發(fā)動機產(chǎn)生的、由驅(qū)動輪靜摩擦力變換的使汽車運動的等效力.
如圖3所示,在f牽作用下,汽車向右運動,設(shè)汽車總質(zhì)量為m,則汽車質(zhì)心加速度滿足
f牽-f阻=f1-f2=ma.(2)靜摩擦力f2可由圖1中從動輪的轉(zhuǎn)動求得.設(shè)從動輪的轉(zhuǎn)動慣量為I2,輪半徑為r,則從動輪與驅(qū)動輪轉(zhuǎn)的角加速度相等,即β=a/r.根據(jù)剛體轉(zhuǎn)動定律,得到
將式(1)、(3)代入(2)式,得汽車質(zhì)心加速度為
將式(3)、(4)代入(2)式,得牽引力大小為
圖3 汽車質(zhì)點模型受力圖
由式(5)可知,F(xiàn)牽與M驅(qū)成正比,說明M驅(qū)是F牽的動力之源;在輪不打滑時,F(xiàn)牽隨M驅(qū)變化而變化.若發(fā)動機的輸出功率為P,汽車速度為v,則牽引力為F牽=P/v,這就是中學物理常用的計算公式.但是,最大牽引力由驅(qū)動輪的最大靜摩擦力決定,即F牽≤f靜max,f靜max=μN,μ為摩擦系數(shù),N為地面支持力;汽車越重,輪胎和地面越粗糙,f靜max就越大.
在質(zhì)點系分析了汽車受力情況,指出了驅(qū)動輪和從動輪的靜摩擦力分別具有雙重作用.利用力的平移原理,分析了驅(qū)動輪靜摩擦力的能量變換作用,建立了汽車牽引力的物理圖像.牽引力是汽車發(fā)動機產(chǎn)生的、由驅(qū)動輪靜摩擦力變換的使汽車運動的等效力.產(chǎn)生牽引力需要發(fā)動機產(chǎn)生驅(qū)動力矩和驅(qū)動輪獲得摩擦力兩個必要條件;前者是牽引力的動力之源,后者是牽引力的中介.在物理教學中,可將發(fā)動機的驅(qū)動力矩和驅(qū)動輪的摩擦力對汽車的綜合作用(非單純的驅(qū)動輪靜摩擦力)等效為牽引力,利用牽引力計算汽車加速度和做功;但應(yīng)同時清楚解釋汽車牽引力的本質(zhì).
1 湯玉林.關(guān)于汽車“牽引力”和“阻力”的理解[J].中學物理教學參考,2007,36(12):15-16.
2 陳駒.怎樣理解汽車的“牽引力”和“牽引力做功”[J].物理教師,2013,34(2):53-54.
3 李貴和.有關(guān)汽車牽引力的探討[J].中學物理教學參考,2002,31(5):9-10.
4 楊習志.從“質(zhì)心運動定理”和“質(zhì)點系動能定理”看汽車的牽引力問題[J].物理教師,2014,35(7):63-64.
2017-03-12)
本文系廣東省研究生教育創(chuàng)新計劃項目“物理教育專業(yè)碩士實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)模式的研究”(2016);佛山市教育科學規(guī)劃課題“互聯(lián)網(wǎng)+及新高考改革背景下高中物理實驗教學模式的研究(FSGH2015084)”研究成果.