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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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4.3.2 揭开抓地力的神秘面纱
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之前为了介绍汽车转向的过程,我先讲解了转向系统、轮胎的结构以及因“变形”和“弯曲”产生的侧偏力。贸然提出轮胎的抓地力会影响这一过程的讲解,所以我就没有提及。
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然而,汽车“行驶”、“转向”、“停车”的根本在于轮胎的抓地力,这些都是以轮胎紧抓路面为前提的。正是因为抓地力的存在,汽车才能依靠紧抓路面“作用力”的“反作用力”前进、转向、减速并停车。换句话说,如果没有抓地力,汽车就无法行驶、转向和停车。这是因为轮胎是汽车与路面的唯一触点,只有轮胎紧抓路面汽车才能行驶,并且汽车转向时轮胎的作用尤为重要。下面我就开始讲解轮胎的抓地力。
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