浅谈汽车中的两个力学问题

徐从茂

随着人们生活水平的日益提高，小汽车越来越多地走进了千家万户.汽车中的物理知识有很多.本文主要谈谈两个力学问题在汽车中的应用.

一、小汽车的车身为什么设计成流线型

汽车尾翼在F1赛车上所使用的扰流翼其实基本原理与飞机的机翼是相同的，后来才被移植于普通汽车上.只不过飞机的机翼是产生向上抬升的力量，而赛车的扰流翼则是要产生向下压制的力量.这是飞机机翼的剖面，当空气流经机翼时，由于通过机翼上方的气流速度较快，下方的气流速度较慢，因此翼面上方的空气压强降低，相对的翼面下方的空气压强较大，所以产生向上抬升的力量，而且速度越快压力差越大.如果把机翼倒过来，就是简单的赛车扰流翼了，效果也就相反，产生向下压制的力量，通常我们称之为下压力.

车在高速行驶时，根据空气动力学原理，我们知道汽车在行驶过程中会遇到空气阻力，围绕汽车重心同时产生纵向、侧向和垂直上升的三个方向的空气动力量，其中纵向为空气阻力.

为了有效地减少并克服汽车高速行驶时空气阻力的影响，人们设计使用了汽车尾翼，其作用就是使空气对汽车产生第四种作用力，即产生较大的对地面的附着力，它能抵消一部分升力，有效控制汽车上浮，使风阻系数相应减小.使汽车能紧贴在道路地面行驶，从而提高行驶的稳定性能.目前大多数汽车尾翼都是根据车身的宽度，经过精确计算用玻璃纤维或碳素纤维制成的，既轻巧又坚韧，不宜过大也不宜过小，不然反而会增加轿车的行车阻力或起不到减阻节能的作用.一般情况下，不同形状的车身和不同的行驶速度，造成空气动力压值的差.当汽车在时速超过60 km/h，空气阻力就会大量消耗发动机的能量，影响车速.随着高速公路的快速发展，现今汽车的时速已达100 km/h左右，车速越快，阻力越大，升力也就随着增大，其上升气流就会将汽车托起，减少车轮与地面附着力，使汽车飘浮，稳定性变差，易发生交通事故.

汽车尾翼的作用，就是在汽车高速行驶时，使空气阻力形成一个向下的压力，尽量抵消升力，有效控制气流下压力，使风阻系数相应减小，故其空气阻力系数也不同.

二、汽车前进的动力问题.摩擦力在汽车中究竟起什么作用

汽车前进轮胎的摩擦力如何？轮子在地上能够“向前”滚动，是因为轮子与地面之间有“滚动摩擦”.（某一时刻，轮胎上的一点与地面接触，本来由于它处于圆周运动状态，而有一个沿切线方向向后的力，有“相对于地面向后”的运动趋势，但是由于受到摩擦作用而并没有发生相对于地面的位移，使得轮胎上部的其他点因为下方有了一个“着力点”，才能继续向下转动而陆续与地面前方的点接触） 轮胎因为磨损严重，或是因路面过于光滑，使得轮胎与地面之间的滚动摩擦很小，稍一“着力”就沿切线方向向后滑动了，从而使得轮胎上部的其他点失去了这个“相对没有发生位移的着力点”，而只能陆续与地面上“原来与轮胎接触的点”甚至“这个点后面的其他点”接触，造成轮子原地打滑，甚至后退的现象. 打滑一段时间后，由于持续的摩擦可能会破坏原本光滑的路面，或是偶尔有轮胎上的一点被“滞”住了，于是轮胎就可以继续向前滚动了.

摩擦力在汽车中究竟起什么作用？这个问题在现行的中学物理教材中未予系统的阐明，仅指出汽车在水平方向所受的作用力为向前的牵引力和向后的阻力.但没有说明什么是牵引力，什么是阻力.因而，学生常常认为摩擦力是汽车前进的阻力，有发动机产生汽车前进的动力，这显然是错误的，要明白这一点，我们应弄清楚汽车前进时的以下几个问题.

1.行驶时主动轮所受摩擦力是汽车的动力.我们知道汽车轮有主动和从动之分，一般后面的两个为主动轮，前面的两个为从动轮.汽车行驶时发动机产生使主动轮沿顺时针方向转动的驱动力矩，使主动轮沿顺时针方向转动，主动轮与地面接触处产生向后运动的趋势，地面要阻碍轮的转动，产生一个使主动轮沿逆时针方向转动的阻力矩，对主动轮提供阻力矩的就是向前的静摩擦力，它和轮与地面相对运动的趋势相反，是汽车前进的动力.

增加发动机的功率，会使主动轮沿顺时针方向转动的驱动力矩增大，主动轮转速增加，这时，要达到力矩平衡，地面对轮的阻力矩也增大，静摩擦力增大，从而牵引力增大，因此，汽车在加速时需要加大油门，利用提高发动机的功率来增大牵引力.减小油门时，其主动轮沿顺时针方向转动的阻力矩也减小提供牵引力的静摩擦力减小，从而汽车的牵引力小于阻力，汽车做减速运动.

2.行驶时从动轮与地面之间是滚动摩擦.汽车行驶时从动轮相对于地面是滚动的，它与地面之间的摩擦力是滚动摩擦；由于从动轮属于被动向前，地面对它的摩擦阻碍它转动，因此，其所受摩擦力为阻力、方向向后；又滚动摩擦小于滑动摩擦，故这样设计可以减小汽车所受的阻力.

汽车行驶时所受的阻力主要有从动轮所受滚动摩擦力和空气阻力，不是单一的滚动摩擦力.因此我们在设计习题牵涉到汽车的阻力时，一般说汽车所受的阻力是车重的多少倍，而不是说摩擦因素是多少.

滚动摩擦力的大小与汽车对地面的压力有关，压力越大，摩擦力越大，对汽车的阻碍作用就越大，因此，汽车载重越大，所需要的动力就越大，我们在设计车的时候，往往让汽车主动轮承重稍大，从动轮轮承重稍小，以增大主动轮的最大静摩擦力和减小从动轮的阻力；空气阻力与车速和受力面积有关，车速越大，阻力越大，受力面积越大，阻力越大，因此，汽车快速行使需要的动力就大.

由于汽车技术的飞速发展，人们对汽车性能的需求也日趋全面，这也促使更多的汽车中的物理知识应用于汽车上.

物理知识的形成来源于生活.在物理教学中，教师巧妙地运用学生在生活中的感知，以激发学生强烈的求知欲，更便于物理知识的学习和理解.