临近双十一,
小编还寻思着不知道买点啥的时候,
室友忽然告诉我ta!买!车!了!
?
忽然间脑海里就闪现过秋名山车神的种种名场面——
《头文字D》 来源:知乎@飞隅
开始盘算哪天一起出去自驾——
然后把自己积攒多年的【老司机都懂的x件事】告诉室友——
这时候,
室友亮出了自己的新车——
啊这,
原来是双十一搬运快递的手推车啊喂~
但是【老司机都懂的x件事】已经“话到嘴边不得不说”,
不论是秋名山车神还是购物车车神,
你,值得拥有——
01
每一辆成功的车身后,
都有默默转动的轮子
1904年,一辆传奇汽车“福特999”创下了91.37英里 (大约每小时147公里) 这一陆上速度纪录后,固特异公司特地给福特写信提到:“世界第一的赛车上,不要忘记车上的轮胎是固特异制作的。”
福特999赛车模型 来源:搜狐汽车
轮胎和汽车既是一个整体,也是相互成就的不同部分,一辆车能否满足人们的交通需求,轮胎是那个“幕后英雄”。其实无论是购物车、自行车、行李箱,还是赛车、汽车,这些工具省力的原因都是因为——有轮子。那么问题来了:
为什么用轮子运东西,比把同样的负重放在地上拖走更省力呢?旋转的轮子又是如何带动车身前进的呢?
我们先来回顾一个基本原理:运动的叠加。
如果A相对于B以v的速度在运动,B相对于C以速度v在运动,那么A相对于C的运动速度就是v v。
落实到轮子的问题上也一样:半径r的轮子在转,如果它的角速度是 ω,那么距离轴 r 的一点相对于轴就有了一个大小是 ωr 的线速度。另外,整个车在向前走,轴自然要跟着车有一个相同的速度 v。于是轮子外沿上任何一点相对于地面的速度就是 ωr v。
我们格外关心的是轮子和地面直接接触的地方,因为只有和地面接触,才会和地面有相互作用。如果不考虑形变的话,那就是一个点,所有的摩擦力都集中到了这一点上。
理想条件下,轮子都在进行“无滑滚动”——也就是说,轮子和地面接触那一点,相对于地面是静止的,有ωr v = 0。如果轮子的角速度 ω 和车速 v 不变,那么轮子与地面相互接触的两点也没有相对运动的趋势,所以,基本的力学告诉我们,轮子和地面没有摩擦。
02
每一个转动的轮子身后,
还有一大堆阻力
既然车轮与地面没有摩擦,是不是意味着就没有阻力了呢?
并不。阻力的来源有很多,首先轮子与车之间依靠【轴】进行连接。轴是不能跟着轮子转的,不然坐车的时候车就会跟着轮子一起转(
因此轴和轮子相接触的地方,就必然要有相对运动,必然要有摩擦。但是这个摩擦相比于把负重直接放在地上拖走,还是要小很多。我们可以来算一算:假定你要把负重 m 水平匀速拉走 2πr 的距离,用蛮力拖走,你需要的功是 2πµmgr,此处 m 是负重的质量,µ 是与地面的摩擦系数。如果用半径为 r 的轮子来办这件事,我们只需要让轮子转一圈。如果轴的半径是r,轴和轮的摩擦系数是µ,轮和轴之间的压力应该还是 mg,这样你需要的功就是2πµ0mgr0,换句话说,用轮子需要的功,是直接蛮力拉走同样距离的功的µr/(µr)倍。
为了让µ尽可能的小,有了【轴承】。
轴承 来源:百家号
我们也希望轴的半径r尽可能地小,但是,你的轴是要承担负重的,所以没法做太细。然后,你还可以把轮子的半径做大一点,但轮子半径并不是越大越好。
另一方面,轮子放在地上,地面总是要【变形】的,轮子会给地面压出个坑来,所以轮子实际上是相当于在坑里爬坡。
地面有微小变形,其实轮胎与地面不止一个接触点
当然这样也会带来一定的阻力,所以要把路面修的很坚硬,以减少这种形变。力的作用是相互的,轮子自身也会有变形,因而带来阻力。所以轮胎一定要把气打足,就像火车那样,铁轮和铁轨硬碰硬。这也是为什么自行车只有2个轮子,而那些运输重物的大货车会有6个甚至8个轮子——多装几个轮子以减少对地面的压强,可以降低轮子与地面的两种变形。(坦克表示:要不直接安装履带吧
03
转弯不减速,
就能实现漂移吗?
作为车神的基本技能,那些急转弯的路面上,怎能缺少“漂移过弯”的长长胎印呢?
来源:百度
来源:好看视频
想知道漂移是怎么实现的?别急,在了解漂移过弯的原理之前,让我们先看看日常的刹车和转向。
首先考虑简化版的刹车。一辆车在上文的理想条件下开的好好的,突然刹车,轮子一下子被“定住”,不能再转了,这时候轮子的转速 ω=0 而车身前进的速度 v≠0,因此ωr v≠0。于是与地面接触的那一点就有了滑动摩擦力 µF(此处F为车对地面的压力),它的方向和运动方向相反的,大小则约等于你把车的放在地上直接拖走。这自然是件非常暴力的事情,因此有时候你在地面上可以看到非常深刻的胎印。
对于转向,我们也讨论一个简单模型。假定理想条件下行驶的车,你突然把它的轮子转过一定角度,而原来的车速还保留,这样 ωr 和 v 就不再共线了,因此 ωr v 就不会得零了,于是轮胎和地面接触点又有了摩擦力。
而我们知道,摩擦力的存在就是减小相对运动(或趋势)的,所以它会让车身速度v偏向与轮子的取向相一致。因此,你把前轮往左转,前轮就会受到地面向左的摩擦,一方面有了向左的加速度,把速度矢量拉了过去;另一方面有了向左转的力矩,让车的“朝向”向左旋转,于是整个车就向左转过去了。
当然,实际的转向不可能是把轮子直接掰过去,总要有个过程。你要给轮子一个向左偏的趋势,这个向左偏的趋势让轮子和地面间产生一个静摩擦,如果转弯不是太猛,那么这个静摩擦其实也就够用了,所以转向一般不会像刹车那么暴力。但若是速度太高,转向过猛,有时候静摩擦都不够用了,于是轮胎出现了侧滑。而赛车手的经典漂移技巧,又称“甩尾”,就是通过后轮对质心的旋转力矩小于前轮,后轮的静摩擦转换为滑动摩擦,以达到“车尾外滑”,来实现的。它可以通过多种方法来实现,但是属于危险操作,在这里小编就不细讲了(
在日常通勤时,如果静摩擦不够转弯,你的轮子,车头的指向,还有车身速度矢量,三者完全不在一起,难以操控,是非常危险的,对轮胎也不友好。所以切记切记,转向一定要减速!道路千万条,安全第一条!
图源网络
04
加速不够猛?
可别光责怪发动机
在小编还年轻的时候,某赛车游戏提供了各种炫酷华丽的胎印(漂移过弯时会在路面上展现),曾误导小编以为车轮上印各种复杂花纹是为了好看的胎印。
然而,上一节提到“刹车”时,曾粗略的估计过刹车力大小约为动摩擦力µF。所以轮胎的花纹,是为了增大这里的µ,以便更快地减速。同理,如果想要加速,也需要借助摩擦。
此时轮子受到的力,首先有地面的摩擦力 f(可以是静摩擦或动摩擦,但不会大于 µN)。除此以外,有可能受到某个驱动力矩 K 让它旋转。假设轮胎的转动惯量为l,不考虑轮和轴摩擦。于是得到轮子旋转的方程:
另一方面,考虑整台车的运动。车在地面上要加速,有可能是受到了某种推动力 F,比如手推车,除此以外就只有地面摩擦 f 了,有:
摩擦力的存在,当然是要使得轮胎与地面接触的点,尽可能地相对静止,也就是说,它会试着保持 ωr - v = 0(此处wr和v均取标量),或者说
,于是把第一个方程乘上 rm 并和第二个方程乘上 I 相加:因此
在这种情况下,轮子与地面的接触点,始终相对于地面静止。但是,由于轮子的速度和旋转速度都要改变,轮子的着地点就可能会有和地面相对运动的趋势,为了消掉这种趋势,产生了一点摩擦力。对应于汽车启动,F = 0,这点摩擦力就是车的动力,让车身速度能够跟得上轮子的转速。所以给轮子的力矩越大,轮子的角加速度越大,相应的摩擦力也就越大,汽车的加速度也就越大。
可是摩擦力是有限度的。如果力矩太大,摩擦力就不足以消除相对运动的趋势,于是趋势就真的变成了相对运动——轮子转的飞快,但是车几乎不动,比如说在冰面上……切记不能猛踩刹车,这样反而会让车子更加难以控制;正确做法是,缓慢平稳的一踏一放制动踏板,并且观察留意前后方的车辆。慢慢纠正方向盘,回正后,轻点油门,让轮胎慢慢恢复附着力,然后再慢慢点油门启动。
轮胎打滑空转 来源:百度
你总是说,发动机你再超载一下吧。可是,发动机已经很累了,它不想再超载了,而且它知道你加速度不够是因为轮胎摩擦力太小,和它没关系(
写在最后
呼~
终于把【老司机都懂的x件事】传授给了室友
再看了一眼手推车
它似乎还不太明白
自己为什么要承受这么多期待
咳咳
不过话又说回来
毕竟双十一就快要付尾款了
疫情期间的快递与外卖小哥
的确承受了更高的期待
希望老司机们路上都稳~稳~哒~
di
参考文献
《理论力学(第8版)》高等教育出版社
一些概念及术语参考了维基百科
幸亏还有人一次又一次重新发明轮子_百科TA说 (baidu.com)
漂移(赛车术语)_百度百科 (baidu.com)
轮胎打滑空转怎么办-百度经验 (baidu.com)
封图来源:知乎@明月淬火
编辑:蕉
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