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轮胎能够根据实际情况在很多方面充分利用触地面。例如当汽车直线行驶时,轮胎从触地面的前方与地面接触,向触地面的后方“驱赶”路面,从而使汽车前进。同时,为了不让汽车横向偏离,轮胎借助触地面的两边紧抓路面。当汽车转向时,轮胎借助触地面的外侧紧抓路面。这样看来,轮胎并不总是同时利用四边形触地面的全部,而是会通过利用某一个或某几个面,帮助汽车自由行驶。
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如果以人们如何使用脚掌内侧为例解释这一状态,或许就更好理解了。无论是走路还是站立,都无需使用整个脚掌内侧,而是靠脚掌内侧的一部分站立或者走路。走路时也好,跑步时也好,都是通过脚后跟着地、用脚尖“驱赶”路面来前进。不经过长期训练是无法像芭蕾舞演员一样只用脚尖站立并能自由行走的。
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火车的车轮与地面接触的部分不是面而是线,但因其是沿着轨道行驶,也就能够安全地前进、转向和停车。然而火车车轮一旦脱轨,其行驶就无法得到有效控制,将直接导致事故的发生。
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4.2.3 轮胎弯曲,产生侧偏力
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接下来我将解释轮胎的“弯曲”。大家或许会觉得,转动方向盘时会改变前轮的方向,汽车自然就会转向。当然,情况也确实如此。
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但当汽车的速度达到时速100km时,驾驶员就无法仅靠改变前轮方向来实现汽车向既定方向的转向。如果不能抵抗离心力支撑不住汽车,就无法彻底转向,甚至会飞离路面。火车是由铁轨承担支撑作用的,而汽车没有铁轨,只能依靠轮胎的“弯曲”发挥支撑作用。
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轮胎的弯曲发生在由于轮胎变形形成的四边形触地面上。举个常见的例子,当您把手掌压在桌子上,弯曲手腕改变手的方向时,会觉得手掌有扭歪感。这就类似于轮胎在触地面上产生的“弯曲”。
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这种弯曲会在汽车转向时产生很大的力量,我们将这种力称为侧偏力(图4.4)。
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图4.4 轮胎的弯曲产生侧偏力※轮胎在转向方向和直行方向之间产生弯曲,这种弯曲生成了侧偏力。
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汽车转向时,侧偏力用于抵抗离心力。当侧偏力小于离心力时,汽车就无法彻底转向。
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转向时驾驶员转动方向盘以改变前轮方向,此时轮胎就会向着前轮的朝向改变路线。同时,之前一直在推动汽车直线行驶的力仍在发挥作用。轮胎受到直行的力和转向的力的相互作用,会向两者的中间方向移动。
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实际上,此时的轮胎是在直行方向和转向方向之间产生了“弯曲”。之所以会弯曲,是因为轮胎的触地面因橡胶的抓地力紧贴着路面,就像把手掌压在桌子上一样。轮胎弯曲时会产生试图恢复原状的弹力,这种弹力进而成为侧偏力以抵抗离心力。
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速度越慢轮胎的弯曲程度越轻。当汽车缓慢行驶时离心力就不会发生作用了,这时只需改变轮胎方向就能实现汽车的转向。当汽车稍稍加快速度在时速30~40km的情况下转向时,弯曲程度也很轻,但也需要超过离心力的侧偏力,利用弯曲产生侧偏力支撑汽车。
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随着速度的加快,离心力也越来越大。直行的力和转向的力越大,轮胎的弯曲程度也就越重,从而能够产生更大的侧偏力抵抗离心力。
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正是因为轮胎的变形,触地面上的弯曲才能产生侧偏力。并且,轮胎能够变形和弯曲,也是因为轮胎是由橡胶和纤维制成且内部充满了空气。
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汽车是怎样跑起来的 4.3 轮胎的抓地力支撑汽车
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4.3.1 没有抓地力就无法转向
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在上一节中我讲到,汽车即使提速到时速100km也能转向,是因为轮胎的触地面弯曲,产生了侧偏力。汽车在高速公路等曲率半径(弯道半径)大的转弯处(即缓弯)能够安全转向,这没什么问题。但在山路等曲率半径小的转弯处(即急弯)也能在时速100km下转向就有些不现实了。汽车可能会因无法彻底转向而跌落悬崖。那这是为什么呢?
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转弯越急,速度越快,离心力越大,因此在转向时就需要足够大的侧偏力来抵抗离心力。之前我讲过,侧偏力是因弯曲而产生的,但如果轮胎不紧抓路面,轮胎也就无法弯曲。我们把轮胎紧抓路面的力称为抓地力。抓地力越小,轮胎的弯曲程度就越小,也就意味着侧偏力越小。也就是说,为了产生抵抗离心力的侧偏力,必须加大抓地力。
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然而抓地力也有界限。当离心力超过在抓地力限度内产生的侧偏力时,汽车就无法顺利转向。因此,除了转弯的急缓程度之外,汽车能否顺利转向也与轮胎的抓地力有关。
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