汽车行驶时的摩擦力探究
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作者: 王金
摘 要： 摩擦力是我们日常生活中最常见的力，汽车行驶时所受的摩擦力情况较为复杂，在不同的阶段所受的摩擦力可能不同。本文从三种不同情况出发探究汽车在平直公路上正常行驶时、刹车制动时、转弯时所受到摩擦力的作用，对摩擦力进行了分析。
关键词： 汽车 行驶时 摩擦力 作用分析
摩擦力在日常生活中处处可见，可以说我们的生活离不开摩擦力。在高中物理教学中，学生普遍感觉摩擦力的知识较难，尤其是在运动中分析摩擦力，而汽车在运动中所受的摩擦力情况更为复杂。摩擦力通常阻碍物体的运动，扮演着阻力的角色，但是在汽车运动中，大多数情况下摩擦力作为动力，促进汽车的运动。汽车的四个车轮中，两个后轮是主动轮或驱动轮，两个前轮是从动轮或导向轮，在行驶时四个车轮所受的摩擦力和所起的作用是不同的，针对汽车在不同时候所受不同的摩擦力作用，分三种情况进行分析。
一、在平直公路上正常行驶时所受的摩擦力
汽车在平直公路上正常行驶时，可分为启动、加速、匀速等阶段，在这些阶段中汽车所受的摩擦力方向都是相同的。那么，到底受到哪些摩擦力？要弄清这个问题，我们就要正确理解摩擦力的概念。摩擦力通常指产生于相互接触的有相对运动或相对运动趋势的两个物体间，且阻碍物体间的这种相对运动或相对运动趋势。
对于主动轮，要使车轮与地面之间产生相对运动，必须有力作用在车轮上，汽车的驱动力是由发达机提供的。由于后轮是主动轮，在行驶时，发动机提供的力产生使主动轮沿顺时针方向转动的驱动力矩，力矩的作用效果是使主动轮沿顺时针方向转动，车轮上和地面接触的点相对于地面有向后运动的趋势，如果地面绝对光滑，轮子就会在原地打滑，如果地面粗糙，地面对车轮产生了一个阻碍车轮向后滑动的而方向向前的摩擦力，这个摩擦力就是静摩擦力，静摩擦力产生一个使主动轮沿逆时针方向转动的阻力矩，使汽车前进。汽车从开始启动后，立即做加速运动，发动机的功率逐渐增大，驱动力矩逐渐增大，牵引力也随着逐渐增大，静摩擦力相应地也逐渐增大。但是汽车所受的静摩擦力的最大值是一定的，这个值称为“最大静摩擦力”，最大静摩擦力等于路面对汽车的垂直支撑力与摩擦因数的乘积。当汽车匀速行驶时，驱动力与最大静摩擦力相等，汽车的输出功率达到最大值，汽车的运动达到临界状态。如果驱动力超过了最大静摩擦力，车轮与地面之间发生了相对滑动，静摩擦力将变为滑动摩擦力，由于滑动摩擦力小于最大静摩擦力，汽车的牵引力反而会减小，不利于汽车的行驶。
对于从动轮，从动轮受到的是被动向前推力的作用，这个力作用在轮子的轴线上，力的作用效果使轮子平动。如果地面绝对光滑，轮子就在地面上滑动，和地面接触的点相对于地面有向前运动的趋势，如果地面粗糙，地面阻碍它运动，受到的摩擦力向后，而且力的方向不通过轴心，所以从动轮发生滚动，这个摩擦力是滚动摩擦力。对于什么是滚动摩擦力，以及滚动摩擦力是怎么产生的，高中生需要进一步了解。滚动摩擦力，即一物体在另一物体表面作无滑动的滚动或有滚动的趋势时，由于两物体在接触部分受压发生形变而产生的对滚动的阻碍作用，叫“滚动摩擦力”。滚动摩擦力一般用阻力矩来量度，其力的大小与物体的性质、表面的形状，以及滚动物体的重量有关。滚动摩擦实际上是一种阻碍滚动的力矩，本质还是静摩擦力，是根据力的作用效果命名的，是静摩擦力的一种特殊表现。正是由于受到滚动摩擦力的作用，使从动轮被动地向后转动，汽车整体向前运动。
二、刹车时所受的摩擦力
汽车刹车时，受到地面向后的摩擦力，摩擦力作用位置紧贴地面，相对于汽车的重心有一个力矩，该力矩使汽车向前翻转，而汽车没有发生翻转是因为地面的支撑力对它有一个向后翻转的力矩，把前者抵消了，结果就是汽车前轮受到的地面支撑力比后轮要大。也就是说，在刹车时，汽车前轮对地面压力大于后轮。而摩擦力与压力成正比，所以汽车前轮受到的摩擦力大于后轮，即摩擦力对前轮有更大的“前转力矩”，所以为了有效制动，前轮刹车必须能够提供更大的制动力矩。但是，不能只使用前轮刹车，如果只使用前轮刹车，汽车就有很大的惯性，当前轮受到较大的摩擦力时，可能向前或向两侧翻。也不能只使用后轮刹车，如果只使用后轮刹车时，前轮所受的是滚动摩擦力，摩擦力方向向后，后轮所受的却是滑动摩擦力，方向向后，由于滚动摩擦力明显小于滑动摩擦力，因此汽车整体所受的摩擦力近似等于滑动摩擦力。最好的制动方式是采用前后轮同时制动，前后轮同时制动时，前后轮受到的摩擦力均为滑动摩擦，方向向后，汽车整体受到的摩擦力为前后轮的滑动摩擦力之和，明显大于只刹前轮或后轮。
当汽车紧急刹车时，会产生轮胎抱死现象，轮胎抱死时，前后轮所受的是滑动摩擦力，汽车的附着情况会变差，车子稳定性和操控性都不好，这时候摩擦力反而是最小的。轮胎不抱死时，汽车所受的摩擦力也不一定完全就是滚动摩擦力，还要看制动力的大小情况，一般不抱死时，是边滚边滑的制动状态，这时候车轮与地面的摩擦力是最大的。装配ABS的汽车，就是为了防抱死而达到边滚边滑的制动状态，达到最佳的制动效果。
三、汽车转弯时所受的摩擦力
汽车转弯时，如果受到驱动力作用，车轮就会受到地面对它的静摩擦力，静摩察力的方向与汽车前进的方向相同，静摩擦力为汽车沿切线方向前进提供动力。不仅如此，汽车转弯还需要向心力，每个轮子都要受到一个横向的静摩擦力，这个静摩擦力形成向心力，汽车的内侧、外侧轮的受力大小是不同的，因此，向心力只是静摩擦力的一个法向的分力。如果汽车制动，不受驱动力时，汽车沿切线方向将做减速运动，所受的阻力主要自身制动系统提供的阻力和地面的摩擦力。如果地面绝对光滑，汽车与地面之间将产生滑动，但是实际上，地面是粗糙的，汽车的运动是滚动。因此，汽车在减速时，车轮依然向前滚动，地面对汽车会产生切线方向的静摩擦力。同时，汽车还在转弯，还会持续受到法向的向心力，向心力还是由静摩擦力提供的。
由于汽车转弯时的向心力是由静摩擦力提供的，这个静摩擦力并非大小不变的，当物体运动速度v越大，需要的向心力（mv2／r）就越大，此时静摩擦力就随之增大，以满足转弯时的需要，但静摩擦力只能增大到最大静摩擦力，若车速再增大，需要的向心力就比所能提供的最大静摩擦力还要大，车就会做离心运动了。对这一点，可以参考必修二物理课本，这个最大静摩擦力的大小由路面性质、车轮性质、车体重力共同决定。
总之，汽车在行驶时的摩擦力比较复杂，并非一成不变的，在不同的时候，不同的情况下，可能不断变化，静摩擦力、滑动摩擦力、滚动摩擦力可能同时产生，也可能交替产生。因此，我们要具体情况具体分析，只有掌握了运动状态，才能进行受力分析，最后确定所受的摩擦力。
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