向芮岑

摘 要：交通工具的發(fā)展和變革離不開物理學的進步。其中汽車更是現(xiàn)代人們生活中最常用到的交通工具，汽車中用到了大量的物理學知識，但是人們對此了解甚少。本文以汽車為例，研究了物理學在交通工具中的應用。

關鍵詞：透鏡；摩擦力；發(fā)光原理；發(fā)動機

中圖分類號：TP2；G63 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）13-0213-01

物理學作為一門自然科學，歷史悠久。物理學的發(fā)展不僅推動了人們對自然的認識，更推動了物質文明的進步。從蒸汽機車到汽車再到現(xiàn)代社會的飛機和高鐵，無不與物理學的進步息息相關。其中，汽車是人們生活中最常用到的交通工具，它極大的提高了出行效率，使生活更加便利。汽車中用到了大量的物理學知識，本文主要以汽車為例，研究交通工具中用到的物理學。

1 汽車中的透鏡和反射鏡

汽車中的透鏡和反射鏡[1]主要存在于三個地方：車燈、后視鏡和車窗。

車燈中的反光碗是一個凹反鏡，車燈燈泡位于凹反鏡的焦點附近。拋物面凹反鏡可以將透過其焦點的光反射為平行光。球面鏡嚴格而言不具有單一焦點，不能將透過其焦點的光反射為平行光，但若只考慮近軸光線，球面鏡可近似為拋物面鏡，再加上球面鏡工藝簡單，因此車燈中的反光碗大多為球面鏡。車燈玻璃燈罩可以看作凹透鏡和棱鏡的組合：凹透鏡可以將經反光碗反射形成的平行光發(fā)散以照亮更廣闊的范圍，棱鏡的存在可以使車燈光線更加均勻柔和，同時棱鏡將一部分光向上折射，以便照明路標。汽車的后視鏡主要有內后視鏡和外后視鏡，內后視鏡一般采用平面鏡，外后視鏡一般為凸反鏡。相對于平面鏡，凸反鏡可以提供更加廣闊的視野，更大程度的提高行車安全。

車窗玻璃多為雙向鏡，有時也稱為單面透視玻璃。其本質為具有較高反射率的鏡面，且兩面的反射率和透射率等光學性質相同，但由于車內光亮度遠低于車外的光亮度，故車外的人只能看見自己的影像而車內的人可以看見車外的狀況。

2 汽車中的摩擦力

汽車的加減速、行駛和變向離不開摩擦力的作用。汽車受到的摩擦力包括靜摩擦力、滾動摩擦力、空氣阻力和滑動摩擦力。

汽車加減速時輪胎與地面間的靜摩擦力將汽車的動力轉化為汽車向前或向后行進的動能，靜摩擦力在此過程中不做功，只起到能量轉變的作用[2]。汽車在勻速行駛時不受靜摩擦力，但是受到地面對輪胎的滾動摩擦阻力以及空氣阻力。當汽車速度較低時，滾動摩擦力是汽車受到的主要阻力，當汽車速度過快比如賽車比賽時的速度，空氣阻力將是主要阻力。剎車系統(tǒng)主要分為鼓式剎車和盤式剎車，其都是利用剎車系統(tǒng)產生的強大滑動摩擦力使汽車的動能轉化為熱能，進而通過輪胎與地面間的靜摩擦力降低車速。若剎車時用力過猛，容易使輪胎抱死，這時輪胎與地面間的摩擦力由滾動摩擦和靜摩擦力變?yōu)榛瑒幽Σ亮?，而滑動摩擦力的方向與汽車速度方向相反，此時若地面不平整，輪胎不能提供足夠的側向力抵消汽車重力的側向分力，從而發(fā)生側滑。若前輪抱死，由于輪胎與地面間的靜摩擦力消失，汽車將失去轉向能力。ABS防抱死系統(tǒng)正是通過電子系統(tǒng)的控制，使得剎車時輪胎與地面間的靜摩擦力一直保持在最大狀態(tài)，同時車輪又不至于抱死，從而保證汽車的剎車系統(tǒng)的性能得到最大程度的發(fā)揮同時又保持轉向能力。ABS防抱死系統(tǒng)能顯著降低制動距離的另一個原因是汽車與地面間的最大靜摩擦力大于滑動摩擦力。

很多學說被提出用于解釋滑動摩擦力的來源。如嚙合說認為滑動摩擦力是由于兩物體接觸面間粗糙不平造成的，當兩物體有相對運動或相對運動趨勢時，接觸面的凸起部分相互碰撞，產生對運動的阻礙。有些學者認為滑動摩擦力起源于兩物體接觸面上的分子間內聚力，從這個觀點而言，無論物體表面多么光滑，總會存在摩擦力作用。滾動摩擦力的來源則與滑動摩擦力來源不同。滾動摩擦力是由于兩物體接觸表面產生形變，從而支持力作用點前移而對物體的滾動產生的阻力矩作用。除此之外，汽車受到的摩擦力還包括空氣阻力等，如何利用或者降低這些摩擦力是是設計汽車需認真考慮的問題。

3 汽車中的照明系統(tǒng)

汽車中的照明系統(tǒng)主要為車燈。車燈分為鹵素燈、氙氣燈和LED燈。

鹵素燈是升級版的白熾燈，其通過加熱燈絲發(fā)光。鹵素燈的光譜非常接近同等溫度的黑體輻射光譜，燈光偏黃，電光轉化效率低，發(fā)熱量高，但成本低，一般用于低端車型。在可見光波段，波長越長的光在大氣中的穿透能力越強，另外人眼對黃綠光最為敏感。綜合以上兩個因素，對人眼而言，黃光是大氣中穿透力最強的光。鹵素燈的燈光含有大量黃光成分因而穿透性很強。鹵素燈中的鹵素可以使燈泡中因加熱而揮發(fā)的鎢重新凝結在燈絲上，提高燈泡的壽命。氙氣燈沒有燈絲，其在燈管中充入了大量的惰性氣體，大部分為氙氣。通電后，從陰極發(fā)射大量電子，電子在燈管中加速后與氙原子碰撞，使氙氣電離，氙離子又在燈管中加速并相互碰撞，使氙離子的電子躍遷到高能級。當電子從高能級向低能級躍遷時放出一個光子，這就是氙氣燈的發(fā)光原理。氙氣燈的光譜與日光光譜很接近，有助于減緩夜間行車駕駛人的視覺疲勞。氙氣燈也含有大量的黃光成分，穿透性較強。LED燈的存在歷史最短，其發(fā)光原理較為復雜。LED燈的主要結構為pn結，通過p區(qū)電子與n區(qū)空穴結合并放出一個光子發(fā)光，放出的光子能量取決于該結合能。LED燈發(fā)出的光偏白，含有的黃光成分較少，穿透性差。由于LED燈直接將電能轉化為光能，因此在三種類型的車燈中發(fā)熱量最小。同時LED燈具有壽命長，可塑性強等特點，但工藝復雜，成本較高，一般用于高端車型。

4 汽車中的發(fā)動機

發(fā)動機是汽車的核心部件，從根本上決定了汽車的性能。最先在汽車中使用的發(fā)動機是外燃機。外燃機原理簡單但體型笨重，不適合汽車這種小型化交通工具。蒸汽機是最常見的外燃機，一般用于鐵道車輛和船舶等。為了尋找更適合汽車的發(fā)動機，人們發(fā)明了內燃機。內燃機因體積緊湊、熱效率高、使用操作方便等特點，在短時間內就成為汽車發(fā)動機的主流。外燃機和內燃機的熱能機械能轉化過程都可以簡化為可逆熱力學循環(huán)過程[3]。簡化了的循環(huán)過程可由熱力學定律計算其能量轉化效率，而后在模型中適當?shù)募尤氩豢赡嬉蛩氐挠绊?，可以模擬實際發(fā)動機的工作狀態(tài)，這些模擬有助于指導發(fā)動機的研發(fā)。最近由于電動汽車的節(jié)能環(huán)保等特性，受到人們的廣泛重視。電動汽車電機主要有直流電動機、交流三相感應電動機、永磁無刷直流電動機、開關磁阻電動機等。其中開關磁阻電動機具有結構簡單、轉速高、效率最高可達93%等優(yōu)秀特點而被視為未來電動汽車發(fā)動機的主流。

5 結語

交通工具中的物理學知識廣泛而深刻。通過研究與交通工具相關的物理學可以推動交通工具的變革與發(fā)展，如研究物體表面形狀與流體阻力的關系可以減少阻力、提高速度，研究熱能與機械能的轉換可以提高發(fā)動機效率等。本文以汽車為例，研究了汽車中用到的透鏡和反射鏡、摩擦力、照明系統(tǒng)、發(fā)動機等相關的物理學內容，但是仍然有許多系統(tǒng)如變速箱、發(fā)動機的散熱等未涉及，是下一步的研究內容。

參考文獻

[1]朱子柏嘉.淺析汽車玻璃中的物理知識[J].教育觀察月刊，2016，5（11）：95-96.

[2]肖瑤涵.分析地面對汽車車輪摩擦力[J].大科技，2017，（31）：328.

[3]俞小莉，元廣杰.氣動汽車發(fā)動機工作循環(huán)的理論分析[J].機械工程學報，2002， 38（9）：118-122.