汽車行駛過程中輪胎與地面的摩擦力研究

摘要：汽車在行駛的過程，輪胎不斷與地面進行接觸進而產生了摩擦力，并影響到汽車行駛的方向、速度等。基于此，本文針對汽車汽車在平直公路上正常行駛時、剎車時以及轉彎時所受的摩擦力進行分析，進而具體描述了輪胎在汽車行駛中所產生的作用及影響。

關鍵詞：汽車；輪胎；摩擦力

引言：

在行駛時，輪胎與地面進行摩擦，這是一種必然的物理現象。摩擦在生活中處處可見，摩擦力對物體的運動產生了阻礙，但是在汽車的行駛過程中，卻又扮演著動力的角色，針對汽車行駛的不同階段，汽車輪胎與地面的摩擦力可以大致分為三種類型。

1.平直公路上正常行駛時所受的摩擦力

汽車在平直的公路上行駛時，主要分為以下三個階段，即啟動、加速、勻速等，這這是哪個階段內，汽車會受到相同方向的摩擦力。所謂摩擦力，就是指互相接觸的物體在進行相對運動或者是具有相對運動趨勢時，所產生的一種阻礙物體間運動及運動趨勢的力。在汽車的行駛過程中，主動輪使汽車輪胎與地面產生了相對運動，這種運動是由汽車發動機所提供的驅動力。汽車的動力主要依靠后輪作為主動輪，行駛的過程中，發動機提供動能，使得主動輪順時針方向轉動。一旦地面光滑度較高，就會令輪胎在原地打轉，不能有效行駛，而地面具有摩擦力，才會使地面對車輪產生阻礙車輪向后滑動的摩擦力，這樣才能使得汽車向前行駛。

相較于主動輪，從動輪就是不提供動力，不輸出功率以及扭矩的輪。從動輪受到地面的力是向后的，所以產生了阻力。從動輪由于主動輪的作用，才向前被推動。與主動輪相比，當從動輪形式的地面是光滑的，那么從動輪與地面接觸的點就會相較于地面有前進趨勢，反之地面粗糙，則會產生向后的摩擦力，并且這種力的方向不通過軸心，所以這個力是滾動摩擦力[1]。滾動摩擦力是一種阻礙滾動的力，也正是由于這種力的作用，才使得從動輪向后被動地進行轉動，推進汽車行駛。

2.剎車時所受的摩擦力

剎車是汽車行駛最為關鍵的環節，也是對駕駛者以及行人安全的保障。汽車剎車過程中，所受到的力是地面向后的摩擦力，摩擦力產生作用的位置與地面津貼，所以相對于汽車整體的重心有一個力矩，讓汽車向前翻轉按，但是由于地面支撐力對它來說又有一個向后翻轉的力矩，抵消了向前翻轉的力矩，使得汽車并不會在剎車時發生翻轉現象。汽車剎車時，前輪對地面的壓力是大于后輪的，即前輪受到支撐力也是比后輪大的。在物理學中可以知道，摩擦力越大，壓力也就越大，故而剎車過程中前輪由于摩擦力大于后輪，則前輪的制動能力也較強，前輪的剎車裝置必須具有較強大的制動力矩。但是汽車的主動輪也配備剎車裝置，這是由于一旦只有前輪具備剎車裝置，就會出現慣性導致的翻車現象。所以一般汽車剎車時都會采取前后輪制動的同時進行。緊急剎車會導致輪胎抱死，輪胎抱死會使得汽車的附著能力、穩定性以及操控性受到影響，這時由于滑動摩擦力極小，會造成危險。關于把控汽車剎車抱死現象，可以采取裝備ABS技術，ABS即制動防抱死系統，有效對汽車制動時制動力的大小進行控制，保證車輪和地面的附著力在最大值。這一技術在20世紀初期就已經開始研制，但是推廣是在20世紀末，為汽車安全性能的提升做出了貢獻。

3.轉彎時所受的摩擦力

除了剎車和平直行駛，汽車還在轉彎時受到較為復雜的摩擦力。汽車的轉彎過程中，車輪受到驅動力的作用，與地面形成的摩擦力是靜摩擦力。靜摩擦力和汽車在前進方向上是相同的，這一摩擦力還為汽車的前進提供了一種動力。汽車轉彎時，運動是路線不再是直線，這時會產生向心力。但是由于汽車行駛過程中受力的不同以及做轉向運動各個輪胎位置差異，所以汽車的內側、外側輪胎也受到了不同的向心力。汽車在轉彎時受到的向心力是靜摩擦力的一個法相分力。汽車受到制動并且不受驅動力的影響時，汽車就會沿著切線的方向減速，這時受到的阻力來源就主要是自身的制動系統提供的阻力以及地面的摩擦力。汽車轉彎時，向心力來自于靜摩擦力，故而物體的運動速度與向心力呈現正相關關系，這時摩擦力的增強也就使得汽車實現轉彎。車速越大，輪胎與地面的摩擦力越大，轉彎所需的向心力比可以提供最大的靜摩擦力要大，汽車就會進行離心運動了。

4.輪胎對汽車行駛的影響

輪胎對于汽車行駛的影響主要就體現在摩擦力作用下，輪胎的性能影響汽車運行主要分為五個部分：一是影響汽車制動性，作為剎車最關鍵的環節，汽車制動性也是汽車主動安全性評價的重要指標之一[2]。汽車制動性受到輪胎磨損程度、花紋深度等影響，輪胎一旦磨損情況較嚴重，就會對安全駕駛造成威脅；二是影響汽車的抓地性，汽車之友輪胎是直接接觸地面的，所以輪胎影響汽車穩定，輪胎的氣壓、主要材料以及結構，都會對汽車抓地性能造成影響；三是影響汽車的排水，輪胎花紋是輪胎排水的主要基礎，排水不良會導致對汽車的控制能力降低，胎面排水主要有兩種設計方式，在輪胎中央形成大排水溝或是將輪胎胎面設計成萬戶側溝；四是輪胎花紋對于汽車行駛的意義，花紋在胎面和切向力的作用之下產生彈性變形，從而促進對車體的控制；五是輪胎的扁平率，即輪胎高度與寬度之間的比例，車輪胎越寬，與地面接觸面積越大，所受到的摩擦力也就越大，反之同理，所以增強車輛的穩定性以及可操控性的最簡單辦法就是增加輪胎的內徑。這樣還可以防止由于爆胎而產生的影響，一旦發生爆胎，坍塌的幅度也由于面積較大而變小。

結論：

汽車行駛時產生的摩擦力不僅在汽車行駛方面可以起到作用，在汽車剎車時更是為汽車的前后輪提供向后的阻力，可以有效地進行停車。摩擦力在汽車的行駛以及快速制動方面，都具有著極其重要的作用，輪胎也成為汽車行駛最為重要的一個環節。

參考文獻：

[1]李泓宇.汽車安全行駛，誰最給“力”——淺談摩擦力在汽車中的應用[J].學周刊，2018（06）：155-156.

[2]孫碩.汽車行駛中幾個問題的力學分析[J].科技風，2016（19）：173-174.

作者簡介：李世東，男，籍貫：貴州畢節，1994年9月出生，本科學歷，研究方向：物理學。

通訊作者：張鳳鈴