[摘要]通过对汽车牵引力、ABS制动系统、汽车尾翼三个力学问题的分析，让我们更好地理解汽车的工作原理，同时也让我们理解力学知识在现实生活中的广泛用途。
[关键词]牵引力 ABS系统 汽车尾翼
中图分类号：O39 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0620072－02
一、汽车的牵引力
汽车的牵引力是发动机产生的“内力”，还是车轮与地面相互摩擦产生的静摩擦力呢？答案为静摩擦力才是汽车的牵引力。下面我们进行分析。
（一）汽车的牵引力必须具备两方面的条件：
（1）该力的作用能使汽车质心加速。（2）该力做功能使汽车产生质心动能增量。
（二）汽车加速起步阶段，该力的持续作用使汽车“质心”得以加速，正常运行阶段，该力用以克服各种摩擦阻力使汽车保持一定速度，因而该力具备牵引力的条件（1）。
（三）该力的作用效果有两个方面：
1．使汽车质心加速，获得质心速度增量。
2．对驱动轮的转动形成反向力矩，产生负的角加速度，从而使之产生负的角速度增量。
与该力的作用效果相对应，该力的做功效果也有两个方面：
1．该力做平动功使汽车产生质心动能增量△Ek
2．该力做力矩功使驱动轮产生转动动能增量 （负值）。
图1为汽车加速阶段驱动轮运行及所受静摩擦力的情况。若该阶段驱动轮对地面不打滑，某一短暂时间间隔的角位移为(
为瞬时车轮转动方向)，轮心位移（等同于汽车质心位移）为，则，设静摩擦力的平均值为，则做功与轮、车能量变化情况为：
上面的推导过程和结果表明，所做的平动功（为正值）与力矩功（为负值）绝对值相等，符号相反，也即做功使汽车增加的质心动能恰好等于驱动轮减少的转动动能，因而其功虽为零（这表明未引起地面与驱动轮间的能量传递），但起到了能量转化作用：将驱动轮的转动动能转化为汽车的质心动能。由此可见做功对汽车质心动能的增加作出了贡献，因而具备牵引力的条件（2）。
综合以上两点，路面对驱动轮的静摩擦力作为汽车的牵引力是当之无愧的。既然静摩擦力有如此之功效，是否汽车无动力装置便可自行起步和运行呢？当然不是这样。若无内力使驱动轮转动，便无以产生静摩擦力；若无内力做功，驱动轮不具有转动动能，也就不存在转化为质心动能的能量来源。因而内力的作用与做功是产生牵引力和质心动能增量的必要条件。
二、ABS防抱死制动系统
ABS是“防抱死制动系统”的英文缩写。它在刹车过程中通过微电脑自动调节四个车轮制动力的大小，保证每个车轮不被抱死，从而获得最佳制动效果。ABS制动系统的最大优点在于：在紧急刹车时车轮未被抱死，大大缩短了刹车距离，并有效防止汽车发生侧滑、翻转等交通事故，有效提高汽车的安全性能。因此，发达国家已规定ABS是汽车必备的安全系统，我国的大多数汽车也装有ABS系统。
ABS防抱死制动系统与普通制动系统相比，两者的最大区别在于：紧急制动时ABS系统的车轮未被抱死，而普通制动系统的车轮被抱死。即在紧急制动时ABS系统是在刹车片与轮盘（或轮毂）之间发生滑动摩擦，而普通制动系统是在车轮与地面之间发生滑动摩擦。下面我们讨论为什么ABS制动系统与普通制动系统相比能有效缩短刹车距离。
汽车的刹车原理是利用车轮与路面或刹车片与轮毂间的滑动摩擦力做功，从而实现汽车动能向内能的转化。
（一）普通制动系统的刹车距离
急刹车时，普通制动系统的刹车片与轮毂牢牢压紧，导致车轮被抱死，车轮在路面上只滑不转。如图2，刹车片与轮毂间无相对运动，位移为零，静摩擦力不做功。汽车通过车轮与路面间的滑动摩擦力做功实现动能向内能转化。设汽车质量为m，前进速度为,由
（二）ABS防抱死制动系统的刹车距离
ABS系统在急刹车时，刹车片在轮毂上滑动并产生滑动摩擦力 。如图3，此时车轮在地面上只滚动不滑动，并产生静摩擦力，其最大值为 。汽车通过刹车片与轮毂间的滑动摩擦力 做功实现动能向内能转化。当ABS处于最佳工作状态时，静摩擦力刚好达到最大值 。设在急刹车时刹车片与车毂间的滑动路程为 ，则有
，所以（2）
设汽车车轮半径为R，刹车片到车轮中心的距离为r，在车轮刚好只滚不滑时， 和 两力方向相反，产生的力矩相互平衡：
（3）
刹车距离为急刹车时汽车前进距离，与满足关系式
（4）
联立（2）、（3）、（4）解得（5）
综合以上两点，由于车轮在路面上只滚不滑时产生的最大静摩擦力 大于车轮在路面上只滑不滚时的滑动摩擦力，由(1)、(5)两式比较可知，即ABS防抱死系统在急刹车时能有效缩短刹车距离。
三、汽车尾翼
上海桑塔纳轿车制动性能可靠，操纵性能稳定，适宜于高速行驶，在它的尾部可选装尾翼板，如图4所示，为什么高速行驶的轿车或赛车要安装尾翼板？
下面我们以后轮为驱动轮的桑塔纳轿车为例进行分析。设汽车总质量为M，质心C离地高h，前、后轮轴心与重力作用线之间的距离分别为和，汽车前后轮受到地面的弹力分别为 和 。由后轮驱动的汽车，使汽车前进的力是后轮胎与地面之间的静摩擦力。设汽车以加速度向前运动，汽车受到水平方向的合力数值上应等于 。
水平方向由牛顿第二定律得 （1）
竖直方向由平衡条件得 （2）
以质心为轴由力矩平衡有 即（3）
解以上三式可得：
汽车在达到“高速”行驶前，必有一加速过程，随着加速度的增大，由（4）、（5）式可见， 增大而 减小，即后轮对地的压力增大而前轮对地的压力减小。这意味着后轮钢板弹簧压紧而前轮钢板弹簧放松，即车尾下沉而车头上抬。对于小轿车，为了避震和舒适，钢板弹簧比较软，因而在汽车加速时车头上抬车尾下沉的现象是很明显的。
当 时， ，前轮已离地腾空。汽车行驶方向是由方向盘操纵前轮来达到的。在前轮腾起时，已无法操纵方向，容易发生车祸，尤其在赛车时常常发生这种情况。桑塔纳轿车或赛车的车尾安装尾翼板后，汽车在高速行驶时，尾翼板会产生类似飞机机翼产生的升力，它对质心的力矩将阻碍车头的上抬，以防止高速行驶时方向失控。
作者简介：
钟毅，男，广东梅州人，毕业于华南热带作物学院机电工程系，学士学位，机械工程教研室主任，研究方向：中职物理及汽车原理。
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