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1700046937 1.2.3 借助作用力与反作用力转向
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1700046939 接下来,我将讲述汽车是如何充分利用“作用力与反作用力”这一物理原理的。学文科的人或许又会抱怨啦:“又来了!”就请再稍稍忍耐一下吧。
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1700046941 与之前讲过的“热”一样,作用力与反作用力也是日常生活中我们能够真切感受到的物理原理。“热”和 “作用力与反作用力”都是汽车利用到的重要物理原理。
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1700046943 驾驶员转动方向盘使汽车转向时,轮胎需要克服离心力。克服离心力的力量来自于轮胎触地时摩擦产生的抓地力。
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1700046945 这样一来,摩擦就发挥了阻力的作用。就如同即使托盘稍稍倾斜,玻璃杯也不会滑落一样,都是摩擦在发挥作用。在玻璃杯即将滑落时,摩擦会充当阻力的角色,防止其滑落。
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1700046947 思考一下托盘和玻璃杯的关系就会发现,抓地摩擦即为使车停止的阻力。轮胎却利用这一阻力加速、转向和前进。
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1700046949 还记得在学校学过的“作用力与反作用力”吗?老师肯定讲过:“你用手推墙,会感觉到墙也在推你。”用手推墙,墙虽不动,推的人却能感觉到一股墙好像也在推自己的反弹力(图1.4)。这就是“作用力与反作用力”。
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1700046954 图1.4 作用力与反作用力
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1700046956 人们把这种反弹力称为阻力。即使对方不是墙而是人,也能感到“对方也在推自己”或者说“受到反弹力”。通过阻力或者反弹力,人们被推向用力方向的相反方向。同样,这一现象也会发生在轮胎与地面之间。轮胎与地面之间产生的摩擦变为阻力,抵抗轮胎的旋转,从而转化为汽车前进的动力。
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1700046958 如果没有摩擦生成的阻力,轮胎就无法推动汽车前进。摩擦产生的抓地力越大,阻力越大,汽车就能更快地行驶和转向。
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1700046960 路面有雪或结冰时轮胎容易打滑,不易行驶,这是因为水会减小轮胎与地面之间的摩擦(产生反作用的阻力)。人在用手拿物品时,如果手上有水或者油,就容易打滑,很难拿住物品。相反,如果手和物品之间没有水和油,摩擦就会变大,也不会打滑,就能很牢固地拿住物品。
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1700046962 由于摩擦能够防滑,因此在干燥的柏油路上不易打滑。因为路面阻力大,所以汽车容易加速。
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1700046964 为了实现行驶、转向、停车这三大要素,汽车很好地利用了“作用力与反作用力”以及之前所讲的“热”等基本物理原理。之所以在本章开头说“汽车是与物理密切相关的交通工具”,就是因为汽车遵循了上述基本原理。
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1700046966 汽车是怎样跑起来的 [:1700046469]
1700046967 1.2.4 充分利用物理原理采取安全措施
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1700046969 在提高安全性方面,汽车同样充分利用了物理原理。
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1700046971 之前所讲的轮胎与路面间的摩擦,实际上是有限度的(图1.5),表示这一限度的图形叫做摩擦圆。汽车处于摩擦极限以下,即以摩擦圆内侧的速度行驶是安全的。但如果加速至超过摩擦极限,转向时汽车就会飞离路面。之所以雨天因打滑引起的交通事故多发,就是因为汽车超过了摩擦极限。尽管速度很慢,但水减小了轮胎与路面间的摩擦。
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1700046976 图1.5 轮胎的摩擦圆※摩擦圆表示轮胎的摩擦限度。如果轮胎受到的力超过摩擦极限,汽车就无法正常行驶。摩擦圆的大小取决于路面状况。
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1700046978 回想一下我们之前讲过的托盘和玻璃杯的例子。即使托盘稍稍倾斜,玻璃杯也不会滑落。但是如果倾斜幅度较大,就很容易滑落。托盘倾斜幅度的大小,就类似于汽车的超速程度。那么,如果在托盘上洒些水会出现什么情况呢?只要托盘稍稍倾斜,玻璃杯就会滑落。这是因为托盘和玻璃杯之间有水,防滑的摩擦就会减小,即使托盘稍稍倾斜,玻璃杯也会滑落。总之,充当阻力角色的摩擦极限会依实际情况而变。
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1700046980 最近,汽车都配备了驾驶辅助系统。在面临危险等紧急时刻时,它可以运用电子控制系统进行自动调节,以防汽车超出摩擦极限。看似平坦的柏油路,其实表面上或有起伏,或有检修孔1,或有白线。为了解其影响,行驶过程中传感器会检测时时变化的轮胎与路面摩擦的关系。并且,当汽车即将超过轮胎与路面间的摩擦极限时,驾驶辅助系统会通过控制加速器或启动制动器自动减速,保证汽车紧贴路面。
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1700046982 1 锅炉、下水道供人出入检修用的出入口。——译者注
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1700046984 即便如此,轮胎产生的力也无法超出原有的抓地力。驾驶辅助系统不是魔法,只是遵循并最大限度地利用物理原理的一种手段。
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1700046986 发生撞击事故时的安全措施也利用了物理原理。汽车通过破坏车体(使之变形)来缓解冲击力,反向利用了“作用力与反作用力”,即受到撞击时,为使反作用力不伤及人身安全,受到撞击变形的车身吸收了部分冲击力,以此缓冲来自外界的强大的力量。
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