汽车运动过程中的受力分析

汽车运动过程中的受力分析

摘要：汽车运动过程之中需要收到很多较为复杂的力的综合作用，本文结合汽车实际的受力情况，选择其中较为典型的水平行驶、加速行驶和转弯这三种情况的受力情况进行分析。希望通过笔者的分析可以提高人们对于汽车受力情况的了解，更为科学的掌握汽车运动过程中的综合情况。

关键词：汽车；运动；受力分析；速度

前言：

随着现代经济社会的不断发展与进步，汽车已经成为现代人生活之中不可或缺的生活用品，汽车的普及极大的改变了现代人的生活方式与生产方式，促进了现代社会的巨大进步。但是，针对汽车受力情况的具体研究与分析的文献国内还鲜有报道，笔者结合多年工作的经验，对汽车在运动过程之中的受力情况进行了系统的分析，希望可以通过这些分析提高人们对于汽车运动情况的了解，更好的掌握汽车的受力情况，为今后汽车行业的发展带来积极的启发。

1.汽车在水平行驶过程之中的受力分析

汽车在行驶的过程之中受到的力主要有两种：牵引力和摩擦力。这是从大的方向上进行概述。传统思维认为，汽车在水平行驶的过程之中主要受到发动机的牵引力，但是从力学方面进行分析这种思维是错误的。其实，带动汽车向前行驶的直接动力是轮胎的静摩擦f，这是汽车在行驶之中受到的直接动力。

为了更好的说明汽车的手里情况，我们将汽车受到的静摩擦力也就是直接动力定义为F1，汽车在运动的过程之中当然还会受到相应的摩擦阻力，主要包括汽车轮胎的滚动摩擦f1、汽车内部部件之间的摩擦力f2以及汽车受到的空气阻力f3..牛顿第一定律指出，汽车保持匀速行驶的条件为受到的和外来为0，即：

（1）

（2）

结合（1），我们可知汽车所收到的静摩擦力等于三种摩擦组合之和时，汽车才可以在水平面上做匀速直线运动。（2）向我们展示的是滑动摩擦力的定义式，通过该定义式我们可知，汽车收到的滑动摩擦力与汽车的重力成正比，同时和地面的摩擦因数存在很大的关系。但是，这里需要注意的是，汽车一般收到的摩擦力是滚动摩擦与滑动摩擦之间存在很大的差别，滑动摩擦可以近似等于最大静摩擦，也就是汽车的直接动力。

2.加速行驶汽车的受力分析

加速行驶汽车的受力分析需要结合牛顿第二运动定律进行相关分析，而且这是汽车所受的力较为复杂，为了论述的简单化，在本文中我们将汽车的受力做了理想化处理。汽车在加速行驶的过程之中所受到的动力为F1，汽车所受到的综合阻力为F2，汽车获得的加速度为a，汽车的质量为m。

由牛顿第二定律：

（3）

带入公式可得：

（4）

解（4）得：（5）

通过上述三个公式我们可以看出，汽车在进行加速运动的过程之中，主要受到的力为牵引动力和摩擦阻力两种力的综合效果，只有当牵引动力F1大于摩擦阻力F2时汽车才能做加速运动，加速度为正；反之，当牵引动力F1小于摩擦阻力F2时汽车只能做减速运动，也就是说这个时候汽车的加速度为负值。对于加速行驶进行受力分析是最有意义的分析，这是由于汽车在在工作的过程之中多数处于加速和加速的状态之下。

例如，汽车在启动的过程之中就是加速运动，根据不同的汽车的性能有等牵引力启动和等功率启动两种形式，这两种启动形式中的加速度存在很大差别。等功率启动的过程相对较为复杂，这种情况之下汽车开始启动的过程之中加速度在逐步的发生变化，随着速度的增加加速度会减小，达到一定程度之后加速度开始保持不变。对于等牵引力启动而言，这个时候汽车的加速度处于一个稳定的状态，这是由于汽车所受的合外力保持不变的原因造成的，因此这种启动是相对较为简单的启动方式，其受力分析也较为简单。

3.汽车在转弯过程中的受力分析

汽车的运动状态一般分为匀速行驶、加速行驶两种状态，前文已经对于这两种状态下汽车的受力分析进行了系统的论述。但是，汽车在转弯过程之中的受力情况与前两种状态下的受力之间存在明显的不同，为了让人们更加全面的了解汽车的受力状态，笔者对汽车在转弯过程中的受力情况也进行简单分析。

汽车在转弯过程之中的受力之所以和普通行驶状态下不同，是因为汽车在转弯过程之中的受力更为复杂，除了前文已经提及的牵引动力和汽车阻力这两种主要的力之外，汽车在转弯的过程之中必须提供相应的向心力。对于向心力的理解一定要正确，我们这里所说的向心力不是一个真正存在的力，而是一种合力，是汽车转弯过程之中必须存在的一个合外力。汽车转弯过程其实是在做圆周运动，做圆周运动就必须有向心力。（6）是向心力的计算式：

（6）

也就是说汽车在转弯的过程之中不能处于受力平和的状态，这时的汽车存在一个向心加速度a，这个向心加速度的存在决定了汽车在必须存在一个向心力，这个向心力一般是由汽车轮胎的侧向静摩擦提供的，要有与运动方向成90 度的指向圆心方向的充当向心力静摩擦力f=mv2/r=mω2r=mr（2π/T）2=mω2v。一些设计较为科学的公路在转弯处设计成外侧较高内侧较低的情况，这种设计也是考虑到向心力的原因，这种设计可以实现汽车重力的一部分分力当做汽车转弯的向心加速度，这样就减小了轮胎横向静摩擦的压力，增加了汽车行驶过程之中的安全系数，同时减轻了对于轮胎的磨损。

4.结束语

汽车在运动的过程之中所受的力是十分复杂的，本文只是针对水平行驶、加速行驶以及转弯过程中的几种受力情况进行了简要的分析，希望可以通过这篇文章的论述，提高人们对于汽车受力情况的认识，为我国汽车行业的发展带来一定的参考价值。

参考文献：

[1]李安定，尹念东. 汽车驾驶模拟器的运动模型研究[J]. 黄石理工学院学报，2008，02：26-30.

[2]胡宏德.基于LabVIEW的汽车运动轨迹跟踪仿真软件开发[J].轻型汽车技术，2013，Z2：21-23+38.

[3]郭世钢.从汽车运动中的牵引力看系统建模[J]. 渝州大学学报（自然科学版），1995，04：5-9.

胡宁，男，籍贯：河北省沧州市，研究方向：车辆工程，作者单位：山东科技大学。