用中學(xué)物理談?wù)勑熊嚢踩?/h1>
2017-08-04 23:16:09朱靖華
東方教育 2017年10期
朱靖華
摘要：現(xiàn)在汽車已經(jīng)非常普及，很多人都在學(xué)習(xí)駕駛，學(xué)生基本達(dá)到18周歲低限的也都去學(xué)習(xí)了駕駛，行車安全已經(jīng)成為非常重要的一個(gè)問題。本文針對中職生，應(yīng)用中學(xué)物理對行車安全從物理上做了一些分析，希望通過本文，可以對中職生相當(dāng)水平的學(xué)習(xí)駕駛者、駕駛者在行車安全上有所幫助。
關(guān)鍵詞：行車；安全；物理；慣性；追尾；側(cè)翻
進(jìn)入中職二年級，我所帶的兩個(gè)班中有部分學(xué)生年齡已經(jīng)滿了十八歲，達(dá)到了國家駕駛學(xué)習(xí)的最低年齡要求。于是，兩個(gè)班級中有部分年齡達(dá)到18歲的學(xué)生，或應(yīng)家長要求，或考慮將來生活工作的需要，都報(bào)名參加了駕駛學(xué)習(xí)，一年的時(shí)間，這部分學(xué)生大部分都已學(xué)習(xí)完成，取得了駕駛資格。
本來，作為班主任的工作，安全教育就是我的重要工作內(nèi)容之一；而在這一年中，因?yàn)檫@部分學(xué)生的駕駛學(xué)習(xí)，行車安全成為了班主任安全教育中的一個(gè)重要教育內(nèi)容，多次在安全主題班會(huì)中與學(xué)生討論如何保證行車安全。
當(dāng)然，行車要安全，首要的是要在思想中有安全的意識(shí)，這是根本。但僅有這個(gè)根本是不夠的，還需要知道如何做才能安全行車。
在學(xué)習(xí)駕駛的時(shí)候，四個(gè)科目，科目二、科目三，培養(yǎng)學(xué)員的駕駛技術(shù)；科目一、科目四培養(yǎng)學(xué)員的安全意識(shí)，教育學(xué)員安全措施。不論科目二、科目三，還是科目一、科目四，都飽含物理學(xué)原理。因此，駕駛行車其實(shí)是一個(gè)物理學(xué)問題，如果能明白一些物理學(xué)原理，對駕駛技術(shù)、行車安全是有很大幫助的。
一、慣性問題
首先要認(rèn)識(shí)到慣性，汽車是有慣性的，汽車啟動(dòng)和剎車都是克服汽車本身的慣性使汽車改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或者從靜止變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)，或是從運(yùn)動(dòng)變?yōu)殪o止。在這個(gè)過程中，慣性起了很重要的作用，慣性大的改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就比較艱難，從啟動(dòng)來說，就是加速不易，從剎車來說，就是剎車剎不死。
物體的慣性是用質(zhì)量來恒量的，質(zhì)量越大的物體慣性越大，也就越難改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從汽車駕駛來說，就是質(zhì)量越大的汽車，加速越難，減速也越難。而一旦發(fā)生交通事故，質(zhì)量越大的汽車，破壞力也就越大，所以有話說：“遠(yuǎn)離重車”，說的就是這個(gè)，一旦“重車”發(fā)生交通事故，產(chǎn)生的后果通常都是非常嚴(yán)重的。
因此，對于“輕車”駕駛者，因?yàn)橘|(zhì)量較小的緣故，加速、減速、停車、啟動(dòng)都比較容易，因而相較而言，出現(xiàn)事故的可能性較??；而對于“重車”來說，質(zhì)量大，加速、減速、停車、啟動(dòng)都較“輕車”困難許多，在相同情況下，出現(xiàn)事故的可能性也就相對較大一些，而因?yàn)橘|(zhì)量越大破壞力越大，一旦發(fā)生事故，后果也要嚴(yán)重許多。
二、追尾問題
什么是追尾？就是兩車同向而行，后車撞擊前車，造成交通事故，就叫追尾。追尾的原因是前后兩車速度不同，前車的速度小于后車速度，前后兩車車距過近，因而后車駕駛者剎車不及而造成交通事故。因而如果前后兩車保持合適的車距，就可以避免追尾事故。
那么前后兩車保持多大車距比較合適呢？
如圖1所示，假設(shè)甲乙兩車同向而行，甲隨乙后，前車乙車突然剎車靜止，甲車發(fā)現(xiàn)后立即剎車，那么甲乙兩車至少應(yīng)相距多遠(yuǎn)才不會(huì)發(fā)生追尾事故？
顯然，甲車不追尾乙車，那么甲車與乙車的距離要比甲車的剎車距離長才行。甲車發(fā)現(xiàn)
乙車停車后，馬上采取急剎的方式停車，依靠汽車輪胎與地面的摩擦力
f=μmg
（μ—輪胎與地面的摩擦系數(shù)；m—汽車質(zhì)量，單位：千克；g—重力加速度，米/秒2）
減速，摩擦力對汽車做功，使汽車動(dòng)能從
（v—汽車剎車前的速度，單位：米/秒）
減小到0。即摩擦力對汽車做的功正好等于汽車剎車前的動(dòng)能：
W=fs=μmgs= （s—?jiǎng)x車距離，單位：米）
由此得到：
通過查詢，得到汽車橡膠輪胎與干燥柏油路面的摩擦系數(shù)約為μ=0.7，重力加速度取g=10m/s，于是有
由此看到，汽車的剎車距離只與汽車的速度有關(guān)，速度越大，需要的剎車距離越大，剎車距離與汽車速度是平方關(guān)系。
甲、乙兩車不發(fā)生追尾，就是后車車頭與前車車尾不發(fā)生接觸碰撞，那么甲車停車后甲乙兩車的重心相距至少大于一個(gè)車長L，因而甲乙兩車不發(fā)生追尾，兩車的距離應(yīng)
由上表可見，車速越快，車距需要越大。
如果是滿載貨車，也就是常說的“重車”，情況還要更復(fù)雜一些，因?yàn)闈M載貨車質(zhì)量很大，慣性很大，啟動(dòng)加速和剎車減速都非常困難，急剎時(shí)剎車鼓并不能提供足夠的摩擦力讓車輪短時(shí)間內(nèi)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，因而需要更長的剎車距離。而且在急剎時(shí)，車箱內(nèi)裝貨物會(huì)對貨車車箱前面攔板產(chǎn)生極大的沖力，會(huì)給貨車司機(jī)帶來很大的威脅。網(wǎng)上流傳有視頻，裝載水泥柱的貨車因急剎，后箱水泥柱沖破貨箱前壁，沖破駕駛室后板，直接從駕駛窗穿出，對駕駛員造成致命傷害。所以，“重車”只能緩剎，需要更長的剎車距離。
三、側(cè)翻問題
汽車側(cè)翻有兩種情況：其一，汽車橫過斜坡，因斜坡坡度過大，造成汽車側(cè)斜過度側(cè)翻；其二，汽車轉(zhuǎn)彎，因車速過快，轉(zhuǎn)彎過急，造成車輛側(cè)翻。
汽車側(cè)翻是個(gè)力矩問題，兩種情況都與汽車的重心高度和車寬相關(guān)聯(lián)，車越寬，重心越低，出現(xiàn)側(cè)翻的可能性越小。
1、斜坡側(cè)翻
如圖2所示，設(shè)斜坡角度是α，坡度為i = tanα，車的質(zhì)量是m，則車所受重力為G = mg， 則車的沿斜面分量為Gx = mgsinα，垂直于斜面的分量為Gy = mgcosα，車寬設(shè)為d，重心高度設(shè)為h，汽車發(fā)生側(cè)翻時(shí)，支點(diǎn)在如圖2所示的側(cè)斜一側(cè)輪胎與地面的接觸點(diǎn)O，如果發(fā)生側(cè)翻，必然滿足條件：
整理后，必然有：
坡度
a）就轎車來說，一般車寬1.6～2.0米，取較易發(fā)生側(cè)翻的寬度1.6米，重心高度約0.5米，則有：
i > 1.6，即α>約58°
也就是說一般轎車橫過斜坡發(fā)生側(cè)翻的臨界角度將近60°，一般斜坡的角度極少有到45°以上的，也就是說，一般情況轎車橫過斜坡不會(huì)發(fā)生側(cè)翻。
b）貨車情況就要復(fù)雜得多，貨車空載時(shí)，重心高度大約1米，車寬一般2.2～2.45米，還是取較窄相對易側(cè)翻的，d = 2.2米，則
i > 1.1，即α>約47.7°
滿載貨車車，重心會(huì)抬高0.5米左右，也就是重心會(huì)達(dá)到h = 1.5米，則有
i > 0.73，即α>約36.2°
由此可見，無論轎車，還是貨車在橫過斜坡進(jìn)，只要坡度不太大，都不會(huì)發(fā)生側(cè)翻。當(dāng)然，當(dāng)前有很多貨車司機(jī)裝載貨物的時(shí)候，大量超載，重心會(huì)更高，大大增加了橫過斜坡發(fā)生側(cè)翻的幾率。
2、轉(zhuǎn)彎側(cè)翻
相比斜坡側(cè)翻，更多的側(cè)翻發(fā)生在轉(zhuǎn)彎當(dāng)中，網(wǎng)上大量視頻顯示，載重貨車轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生側(cè)翻造成事故的幾率要比斜坡側(cè)翻要多得多，畢竟一般情況下道路多是上下坡，橫過斜坡的情況少之又少。
轉(zhuǎn)彎側(cè)翻也是一個(gè)力矩問題，轉(zhuǎn)彎時(shí)，汽車受到離心力，重力，地面摩擦力的作用，影響側(cè)翻問題的主要是離心力和重力。
如圖3所示，設(shè)汽車總質(zhì)量為m，則汽車所受重力為G= mg，
車寬d，重心高h(yuǎn)，汽車受到
的離心力為F = mv2/r（r-轉(zhuǎn)彎
半徑），支點(diǎn)在轉(zhuǎn)彎外側(cè)輪胎
與地面接觸點(diǎn)O，則汽車若發(fā)
生側(cè)翻，必滿足條件：
，
于是有
轎車取d = 1.6米，重心高度h = 0.5米，城市道路交叉路口轉(zhuǎn)彎半徑取最大值
a）約r = 30米，則有
v > 約6.9（米/秒），約合v > 約25公里/小時(shí)
即是說，轎車在城市道路轉(zhuǎn)彎時(shí)，速度應(yīng)在時(shí)速25公里以內(nèi)，否則就會(huì)發(fā)生側(cè)翻。
b）滿載貨車取d = 2.2米，重心高度h = 1.5米，仍取城市道路轉(zhuǎn)彎最大半徑r = 30米，則
v > 4.7（米/秒），約合17公里的時(shí)速
如果貨車超載的話，重心只會(huì)更高，那轉(zhuǎn)彎速度就更低。
由 可見，轉(zhuǎn)彎速度v與轉(zhuǎn)彎半徑r的平方根成正比關(guān)系，轉(zhuǎn)彎半徑越小，轉(zhuǎn)彎速度也要求越??；如果滿載貨車在較高速度下被迫急轉(zhuǎn)彎，那么側(cè)翻就是板上釘釘?shù)氖?，又因滿載貨車質(zhì)量極大（十幾噸～幾十噸），一旦發(fā)生事故，造成的后果都是極為嚴(yán)重的，損失也是極大的。因此才有話說：“遠(yuǎn)離重車”。
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首先要認(rèn)識(shí)到慣性，汽車是有慣性的，汽車啟動(dòng)和剎車都是克服汽車本身的慣性使汽車改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或者從靜止變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)，或是從運(yùn)動(dòng)變?yōu)殪o止。在這個(gè)過程中，慣性起了很重要的作用，慣性大的改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就比較艱難，從啟動(dòng)來說，就是加速不易，從剎車來說，就是剎車剎不死。
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因此，對于“輕車”駕駛者，因?yàn)橘|(zhì)量較小的緣故，加速、減速、停車、啟動(dòng)都比較容易，因而相較而言，出現(xiàn)事故的可能性較??；而對于“重車”來說，質(zhì)量大，加速、減速、停車、啟動(dòng)都較“輕車”困難許多，在相同情況下，出現(xiàn)事故的可能性也就相對較大一些，而因?yàn)橘|(zhì)量越大破壞力越大，一旦發(fā)生事故，后果也要嚴(yán)重許多。
二、追尾問題
什么是追尾？就是兩車同向而行，后車撞擊前車，造成交通事故，就叫追尾。追尾的原因是前后兩車速度不同，前車的速度小于后車速度，前后兩車車距過近，因而后車駕駛者剎車不及而造成交通事故。因而如果前后兩車保持合適的車距，就可以避免追尾事故。
那么前后兩車保持多大車距比較合適呢？
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顯然，甲車不追尾乙車，那么甲車與乙車的距離要比甲車的剎車距離長才行。甲車發(fā)現(xiàn)
乙車停車后，馬上采取急剎的方式停車，依靠汽車輪胎與地面的摩擦力
f=μmg
（μ—輪胎與地面的摩擦系數(shù)；m—汽車質(zhì)量，單位：千克；g—重力加速度，米/秒2）
減速，摩擦力對汽車做功，使汽車動(dòng)能從
（v—汽車剎車前的速度，單位：米/秒）
減小到0。即摩擦力對汽車做的功正好等于汽車剎車前的動(dòng)能：
W=fs=μmgs= （s—?jiǎng)x車距離，單位：米）
由此得到：
通過查詢，得到汽車橡膠輪胎與干燥柏油路面的摩擦系數(shù)約為μ=0.7，重力加速度取g=10m/s，于是有
由此看到，汽車的剎車距離只與汽車的速度有關(guān)，速度越大，需要的剎車距離越大，剎車距離與汽車速度是平方關(guān)系。
甲、乙兩車不發(fā)生追尾，就是后車車頭與前車車尾不發(fā)生接觸碰撞，那么甲車停車后甲乙兩車的重心相距至少大于一個(gè)車長L，因而甲乙兩車不發(fā)生追尾，兩車的距離應(yīng)
由上表可見，車速越快，車距需要越大。
如果是滿載貨車，也就是常說的“重車”，情況還要更復(fù)雜一些，因?yàn)闈M載貨車質(zhì)量很大，慣性很大，啟動(dòng)加速和剎車減速都非常困難，急剎時(shí)剎車鼓并不能提供足夠的摩擦力讓車輪短時(shí)間內(nèi)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，因而需要更長的剎車距離。而且在急剎時(shí)，車箱內(nèi)裝貨物會(huì)對貨車車箱前面攔板產(chǎn)生極大的沖力，會(huì)給貨車司機(jī)帶來很大的威脅。網(wǎng)上流傳有視頻，裝載水泥柱的貨車因急剎，后箱水泥柱沖破貨箱前壁，沖破駕駛室后板，直接從駕駛窗穿出，對駕駛員造成致命傷害。所以，“重車”只能緩剎，需要更長的剎車距離。
三、側(cè)翻問題
汽車側(cè)翻有兩種情況：其一，汽車橫過斜坡，因斜坡坡度過大，造成汽車側(cè)斜過度側(cè)翻；其二，汽車轉(zhuǎn)彎，因車速過快，轉(zhuǎn)彎過急，造成車輛側(cè)翻。
汽車側(cè)翻是個(gè)力矩問題，兩種情況都與汽車的重心高度和車寬相關(guān)聯(lián)，車越寬，重心越低，出現(xiàn)側(cè)翻的可能性越小。
1、斜坡側(cè)翻
如圖2所示，設(shè)斜坡角度是α，坡度為i = tanα，車的質(zhì)量是m，則車所受重力為G = mg， 則車的沿斜面分量為Gx = mgsinα，垂直于斜面的分量為Gy = mgcosα，車寬設(shè)為d，重心高度設(shè)為h，汽車發(fā)生側(cè)翻時(shí)，支點(diǎn)在如圖2所示的側(cè)斜一側(cè)輪胎與地面的接觸點(diǎn)O，如果發(fā)生側(cè)翻，必然滿足條件：
整理后，必然有：
坡度
a）就轎車來說，一般車寬1.6～2.0米，取較易發(fā)生側(cè)翻的寬度1.6米，重心高度約0.5米，則有：
i > 1.6，即α>約58°
也就是說一般轎車橫過斜坡發(fā)生側(cè)翻的臨界角度將近60°，一般斜坡的角度極少有到45°以上的，也就是說，一般情況轎車橫過斜坡不會(huì)發(fā)生側(cè)翻。
b）貨車情況就要復(fù)雜得多，貨車空載時(shí)，重心高度大約1米，車寬一般2.2～2.45米，還是取較窄相對易側(cè)翻的，d = 2.2米，則
i > 1.1，即α>約47.7°
滿載貨車車，重心會(huì)抬高0.5米左右，也就是重心會(huì)達(dá)到h = 1.5米，則有
i > 0.73，即α>約36.2°
由此可見，無論轎車，還是貨車在橫過斜坡進(jìn)，只要坡度不太大，都不會(huì)發(fā)生側(cè)翻。當(dāng)然，當(dāng)前有很多貨車司機(jī)裝載貨物的時(shí)候，大量超載，重心會(huì)更高，大大增加了橫過斜坡發(fā)生側(cè)翻的幾率。
2、轉(zhuǎn)彎側(cè)翻
相比斜坡側(cè)翻，更多的側(cè)翻發(fā)生在轉(zhuǎn)彎當(dāng)中，網(wǎng)上大量視頻顯示，載重貨車轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生側(cè)翻造成事故的幾率要比斜坡側(cè)翻要多得多，畢竟一般情況下道路多是上下坡，橫過斜坡的情況少之又少。
轉(zhuǎn)彎側(cè)翻也是一個(gè)力矩問題，轉(zhuǎn)彎時(shí)，汽車受到離心力，重力，地面摩擦力的作用，影響側(cè)翻問題的主要是離心力和重力。
如圖3所示，設(shè)汽車總質(zhì)量為m，則汽車所受重力為G= mg，
車寬d，重心高h(yuǎn)，汽車受到
的離心力為F = mv2/r（r-轉(zhuǎn)彎
半徑），支點(diǎn)在轉(zhuǎn)彎外側(cè)輪胎
與地面接觸點(diǎn)O，則汽車若發(fā)
生側(cè)翻，必滿足條件：
，
于是有
轎車取d = 1.6米，重心高度h = 0.5米，城市道路交叉路口轉(zhuǎn)彎半徑取最大值
a）約r = 30米，則有
v > 約6.9（米/秒），約合v > 約25公里/小時(shí)
即是說，轎車在城市道路轉(zhuǎn)彎時(shí)，速度應(yīng)在時(shí)速25公里以內(nèi)，否則就會(huì)發(fā)生側(cè)翻。
b）滿載貨車取d = 2.2米，重心高度h = 1.5米，仍取城市道路轉(zhuǎn)彎最大半徑r = 30米，則
v > 4.7（米/秒），約合17公里的時(shí)速
如果貨車超載的話，重心只會(huì)更高，那轉(zhuǎn)彎速度就更低。
由 可見，轉(zhuǎn)彎速度v與轉(zhuǎn)彎半徑r的平方根成正比關(guān)系，轉(zhuǎn)彎半徑越小，轉(zhuǎn)彎速度也要求越??；如果滿載貨車在較高速度下被迫急轉(zhuǎn)彎，那么側(cè)翻就是板上釘釘?shù)氖?，又因滿載貨車質(zhì)量極大（十幾噸～幾十噸），一旦發(fā)生事故，造成的后果都是極為嚴(yán)重的，損失也是極大的。因此才有話說：“遠(yuǎn)離重車”。
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