汽车安全行驶中物理知识简析

物理学是研究自然界物质运动基本规律的科学。其他应用学科，莫不以物理为基础。它是一项严格的、定量的科学，它的各种结论是根据基本规律，通过严密的逻辑推导得到的。学科紧密结合日常生活，在相关领域有非常广泛的应用。

在物理教学中，如果注意结合学生熟悉的生活、生产实际，提出与教学有关的问题让学生去思考，往往能激发起学生的学习兴趣。

随着我国汽车业的迅速发展，汽车年销量2010已超过美国成为世界第一，汽车保有量在不远的将来也将取代美国成为世界第一。那么，汽车道路行驶安全，与车辆日常维护日益突出。汽车道路行驶中所包含许多物理运动力学中的知识。对我们的行车安全大有帮助。

一、汽车直线行驶的速度和牵引力

题目：质量m的汽车以恒定功率P在平直公路从开始起动，设阻力f的大小恒定不变，分析运动情况，求最大速度。

分析：汽车功率P和速度v、牵引力F的关系为P=Fv，汽车起动后，速度F的大小是变化的，故牵引力F的大小发生了变化。

水平方向汽车受力如图1所示，由牛顿第二定律可知：，因P=Fv，故

随着速度v的变大，合力变小，加速度a变小，但a、v方向相同，故汽车作加速度变小，速度变大的变加速直线运动。当加速度a=0，速度v达到最大，不再变化，以后汽车作匀速直线运动，最大速度，此时牵引力F=f。

需要说明的是汽车开始起动时，采用低速档，获得较大牵引力，因而具有较大的起动加速度。而途中高挡匀速行驶牵引力最小，理论上讲只要汽车按某一恒定速度行驶（不同车型理论油耗最低速度有所区别），汽车油耗最低。此例中涉及功率、受力分析和牛顿第二定律等知识。

二、汽车转弯问题

通常在水平地面上做圆周运动的汽车，是靠地面对汽车的摩擦力来提供向心力的，但是，高速公路上的汽车，速度很大，在转弯时（可视为做圆周运动）不能采取无限增大摩擦力的方式（如使路面粗糙程度增加等）提供向心力，过大的摩擦会缩短路面的汽车轮胎的寿命。于是人们想到了“力的分解”――利用汽车自身重力的一个分力，提供一定程度的向心力，从而使车辆顺利转弯，且有效地保护高速路面。

汽车以一定的速度在曲线上行驶，必须具有足够的向心力，向心力的大小与车速 的平方成正比，与曲线半径成反比，在工程上计算式为：

式中：F――向心力，N；

G――汽车重力，N；

v――车行驶速度，m/s；

R――曲线半径，m；

g――重力加速度,g=9.8m/s2；

向心力F的作用点在汽车的重心，方向指向圆心。

为了使汽车自身重力和支持力的合力充当一定量的向心力（一般地说，并非向心力的全部），常把曲线路面做成外侧高、内侧低，呈单向横坡的形式，这就叫做曲线超高。汽车行驶在具有超高的曲线上，如图所示，F表示汽车转弯时应当具有的向心力，该力在横向（x轴）和纵向（y轴）被分解为Fcosa和Fsina。汽车重力G的一个分力（Gsina）沿横坡（x轴）方向，充当了一部分向心力的作用；向心力的另外部分，则仍由路面与轮胎之间的摩擦力提供。

因此，在x轴方向上，则有Fcosa=Gcosa +T ①

式中，T为路面对汽车的横向作用力，它是由路面对轮胎的摩擦力提供的（在图中未画出），在y轴方向上，汽车所受合力为零，对转弯运动不产生影响。

由于路面横坡不大，即斜面倾角a很小，可近似认为 cosa=1,sina=tana=i（i叫超高城度），于是有T=Fcosa-Gsina=F-Gi=

μ称为横向力系数，其意义为单位车重的横向力，μ值愈大，汽车在曲线上行驶的稳定性愈小，司乘人员感受的舒适性就愈差。

②式表达了横向系数与车速、曲线半径和超高坡度之间的关系，这个关系对确定曲线半径、超高坡度以及评价汽车行驶在弯道上的安全性、舒适性有十分重要的意义。

对于①式的讨论，显然得出：当汽车在平坦路面上转弯时，a=0 ，则：F=T

这表明，汽车转弯的向心力全部由路面对汽车轮胎的摩擦力提供。

一些研究报告指出：μ的舒适界限，有0.11道0.16，随行车速度变化，在设计时，高速公路上取较低数值，低速公路上取较高数值。

综合上述对行车安全、经济、舒适等方面的要求，参考国外的试验资料，采用μmax（μ的最大值）、imax（i的最大值）及最小半径的数值见表1，表2列出的我国高速公路园曲线的最小半径。（1）

三、汽车通过凹凸桥面

建造在公路上的桥梁大多是凸形桥，较少是水平桥，更找不到凹形桥，其主要原因包含着物理动力学原理。

汽车在通过平面桥时，汽车对桥的压力等于车的重力。

汽车通过凸形桥时，由圆周运动的知识可知在最高点时，车对桥的压力，小于车的重力。

汽车通过凹形桥最低点时，汽车对桥的压力，大于车的重力，因此，对桥的损坏程度大，这就是不建凹形桥的原因。而汽车经过凹形路面时，比通过平行路面更易爆胎，也是此原因。例中涉及力的合成、向心力等物理知识。

结束语：物理学是联系实际最为紧密的基础学科，在日常生活中应用的示例很多，只要正确引导用心观察，不仅能够加深对物理知识的理解，同时也培养了学生的观察能力，很好地实现了知识的迁移。使物理学习变的物理的生动有趣。

（作者单位：山西省长治市第二职业高中）

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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