汽车行驶过程中轮胎与地面的摩擦力研究

汽车行驶过程中轮胎与地面的摩擦力研究
摘要：汽车在行驶的过程，轮胎不断与地面进行接触进而产生了摩擦力，并影响到汽车行驶的方向、速度等。

基于此，本文针对汽车汽车在平直公路上正常行驶时、刹车时以及转弯时所受的摩擦力进行分析，进而具体描述了轮胎在汽车行驶中所产生的作用及影响。

关键词：汽车；轮胎；摩擦力
引言：
在行驶时，轮胎与地面进行摩擦，这是一种必然的物理现象。

摩擦在生活中处处可见，摩擦力对物体的运动产生了阻碍，但是在汽车的行驶过程中，却又扮演着动力的角色，针对汽车行驶的不同阶段，汽车轮胎与地面的摩擦力可以大致分为三种类型。

1.平直公路上正常行驶时所受的摩擦力
汽车在平直的公路上行驶时，主要分为以下三个阶段，即启动、加速、匀速等，这这是哪个阶段内，汽车会受到相同方向的摩擦力。

所谓摩擦力，就是指互相接触的物体在进行相对运动或者是具有相对运动趋势时，所产生的一种阻碍物体间运动及运动趋势的
力。

在汽车的行驶过程中，主动轮使汽车轮胎与地面产生了相对运动，这种运动是由汽车发动机所提供的驱动力。

汽车的动力主要依靠后轮作为主动轮，行驶的过程中，发动机提供动能，使得主动轮顺时针方向转动。

一旦地面光滑度较高，就会令轮胎在原地打转，不能有效行驶，而地面具有摩擦力，才会使地面对车轮产生阻碍车轮向后滑动的摩擦力，这样才能使得汽车向前行驶。

相较于主动轮，从动轮就是不提供动力，不输出功率以及扭矩的轮。

从动轮受到地面的力是向后的，所以产生了阻力。

从动轮由于主动轮的作用，才向前被推动。

与主动轮相比，当从动轮形式的地面是光滑的，那么从动轮与地面接触的点就会相较于地面有前进趋势，反之地面粗糙，则会产生向后的摩擦力，并且这种力的方向不通过轴心，所以这个力是滚动摩擦力[1]。

滚动摩擦力是一种阻碍滚动的力，也正是由于这种力的作用，才使得从动轮向后被动地进行转动，推进汽车行驶。

2.刹车时所受的摩擦力
刹车是汽车行驶最为关键的环节，也是对驾驶者以及行人安全的保障。

汽车刹车过程中，所受到的力是地面向后的摩擦力，摩擦力产生作用的位置与地面津贴，所以相对于汽车整体的重心有一个力矩，让汽车向前翻转按，但是由于地面支撑力对它来说又有一个向后翻转的力矩，抵消了向前翻转的力矩，使得汽车并不会在刹车时发生翻转现象。

汽车刹车时，前轮对地面的压力是大于后轮的，即前轮受到支撑力也是比后轮大的。

在物理学中可以知道，摩擦力越大，压力也就越大，故而刹车过程中前轮由于摩擦力大于后轮，则前轮的制动能力也较强，前轮的刹车装置必须
具有较强大的制动力矩。

但是汽车的主动轮也配备刹车装置，这是由于一旦只有前轮具备刹车装置，就会出现惯性导致的翻车现象。

所以一般汽车刹车时都会采取前后轮制动的同时进行。

紧急刹车会导致轮胎抱死，轮胎抱死会使得汽车的附着能力、稳定性以及操控性受到影响，这时由于滑动摩擦力极小，会造成危险。

关于把控汽车刹车抱死现象，可以采取装备ABS 技术，ABS即制动防抱死系统，有效对汽车制动时制动力的大小进行控制，保证车轮和地面的附着力在最大值。

这一技术在20世纪初期就已经开始研制，但是推广是在20世纪末，为汽车安全性能的提升做出了贡献。

3.转弯时所受的摩擦力
除了刹车和平直行驶，汽车还在转弯时受到较为复杂的摩擦力。

汽车的转弯过程中，车轮受到驱动力的作用，与地面形成的摩擦力是静摩擦力。

静摩擦力和汽车在前进方向上是相同的，这一摩擦力还为汽车的前进提供了一种动力。

汽车转弯时，运动是路线不再是直线，这时会产生向心力。

但是由于汽车行驶过程中受力的不同以及做转向运动各个轮胎位置差异，所以汽车的内侧、外侧轮胎也受到了不同的向心力。

汽车在转弯时受到的向心力是静摩擦力的一个法相分力。

汽车受到制动并且不受驱动力的影响时，汽车就会沿着切线的方向减速，这时受到的阻力来源就主要是自身的制动系统提供的阻力以及地面的摩擦力。

汽车转弯时，向心力来自于静摩擦力，故而物体的运动速度与向心力呈现正相关关系，这时摩擦力的增强也就使得汽车实现转弯。

车速越大，轮胎与地面的摩擦力越大，转弯所需的向心力比可以提供最大的静摩擦力要大，汽车就会进行离心运动了。

4.轮胎对汽车行驶的影响
轮胎对于汽车行驶的影响主要就体现在摩擦力作用下，轮胎的性能影响汽车运行主要分为五个部分：一是影响汽车制动性，作为刹车最关键的环节，汽车制动性也是汽车主动安全性评价的重要指标之一[2]。

汽车制动性受到轮胎磨损程度、花纹深度等影响，轮胎一旦磨损情况较严重，就会对安全驾驶造成威胁；二是影响汽车的抓地性，汽车之友轮胎是直接接触地面的，所以轮胎影响汽车稳定，轮胎的气压、主要材料以及结构，都会对汽车抓地性能造成影响；三是影响汽车的排水，轮胎花纹是轮胎排水的主要基础，排水不良会导致对汽车的控制能力降低，胎面排水主要有两种设计方式，在轮胎中央形成大排水沟或是将轮胎胎面设计成万户侧沟；四是轮胎花纹对于汽车行驶的意义，花纹在胎面和切向力的作用之下产生弹性变形，从而促进对车体的控制；五是轮胎的扁平率，即轮胎高度与宽度之间的比例，车轮胎越宽，与地面接触面积越大，所受到的摩擦力也就越大，反之同理，所以增强车辆的稳定性以及可操控性的最简单办法就是增加轮胎的内径。

这样还可以防止由于爆胎而产生的影响，一旦发生爆胎，坍塌的幅度也由于面积较大而变小。

结论：
汽车行驶时产生的摩擦力不仅在汽车行驶方面可以起到作用，在汽车刹车时更是为汽车的前后轮提供向后的阻力，可以有效地进行停车。

摩擦力在汽车的行驶以及快速制动方面，都具有着极其重要的作用，轮胎也成为汽车行驶最为重要的一个环节。

参考文献：
[1]李泓宇.汽车安全行驶，谁最给“力”――浅谈摩擦力在汽车中的应用[J].学周刊，2018（06）：155-156.
[2]孙硕.汽车行驶中几个问题的力学分析[J].科技风，2016（19）：173-174.
作者?介：李世东，男，籍贯：贵州毕节，1994年9月出生，本科学历，研究方向：物理学。

通讯作者：张凤铃
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