悟车轮上之物理奥秘，解心中之所惑 高中物理教学论文.doc

 摘要：本文从牛顿运动定律和力矩做功等知识，分析汽车启动时,发动机产生的内力转换成牵引力时起的作用,静摩擦力的大小与汽车扭矩的关系，以及静摩擦力在转换汽车内力做功产生的能量过程中扮演的角色。

    关键词：静摩擦力  牵引力  扭矩   转换能量 

在汽车日益普及的年代，我们从各个途经接触到汽车的相关资讯，在结合所学的物理知识后也在心中产生了一些疑惑:为什么介绍一辆车的性能只讲扭矩的大小而不说动力有多大？驱动轮转动时，轮胎表面与地面之间产生静摩擦力，这个静摩擦力才是推动汽车前进的直接动力,那么汽车的动力与静摩擦力有什么样的关系？这个静摩擦力是直接动力，使汽车产生加速度，但是为什么又不做功？从功能关系可知，汽车的动能来自汽车发动机消耗汽油的化学能,但汽车发动机产生的内力又不能使汽车产生加速度，这又该如何解释呢？等等。以上的这些问题，笔者认为均与静摩擦力在车轮上扮演的两个角色有关。

1         静摩擦力的角色作用之”代言”

我们先从汽车的驱动轮受力情况分析。一般汽车的前轮为导向轮，后轮为驱动轮。以无滑滚动为例，由于发动机带动传动装置使后轮受到一个驱动力矩的作用而产生转动,使后轮与地面接触处相对地面有向后运动的趋势，于是路面对后轮产生向前的静摩擦力f1,这个力就成为车辆前进的直接动力。

如果没有发动机带动后轮的转动就不会有静摩擦力f1的产生，而这个f1又表现为汽车的驱动力，就这样，静摩擦力f1“代言”了汽车发动机产生的驱动力。

理论上，驱动力的大小与扭矩有这样的关系：驱动力×轮胎半径=扭矩×变速箱齿比×最终齿轮比×机械效率

实际上，当路面与轮胎间条件发生改变时，路面与轮胎间的最大静摩擦力大小也发生改变，当最大静摩擦力小于理论驱动力,即不足以“代言”时，就不能使驱动轮做单纯滚动而是边滚边滑，甚至原地转动不能前进。这时驱动力的大小就小于理论公式中的大小，而车辆的扭矩与发动机的功率和转速有关,不受地面情况影响，这也就是车辆性能中介绍最大扭矩而不介绍最大驱动力的原因。

2         静摩擦力的角色作用之”中介”

汽车运动中，发动机通过传动装置带动驱动轮绕车轴转动，产生转动动能。若不打滑，地面对轮胎与地面的接触处有静摩擦力作用，其方向与汽车运动方向一致。随着轮胎在地面的滚动，轮胎表面与地面的接触点（静摩擦力的作用点）随轮胎的转动离开了地面，这个作用点在摩擦力的方向上相对地面的位移是零。所以地面对驱动轮的静摩擦力对汽车并不做功,只是推动汽车前进的直接动力。

汽车发动机消耗汽油的化学能产生的内力不可能使汽车产生加速度而获得平动动能，但从能量转化的角度来看，汽车的平动动能又来自汽车发动机消耗汽油的化学能。那么静摩擦力在其中究竟起了什么样的作用呢？那么我们从轮胎表面的速度说起。轮胎的各点同时参与车的整体平动和绕车轴的转动，轮胎表面与地面的接触点是个瞬时不动点，随车轴有平动速度v，同时又有相对于车轴因转动而具有的线速度-v，合速度刚好是零。我们能看到路面上清晰的车轮印，就因为车轮最下端与地面接触的瞬间相对于地面的速度为0，否则就像紧急刹车时，车轮在地面拖过的痕迹是一跳带状，不会再有清晰的轮胎花纹。

那么，我们就把驱动轮上静摩擦力的作用点瞬时位移X分解成平动位移Xc和转动位移Xd(Xd=轮胎半径r×转过弧度φ),X=Xc-Xd,  根据功的公式可知  W=∫fdX=∫fdXc-∫fdXd=∫fdXc-∫frdφ,其中∫fdXc对应平动功，反映了车辆平动动能的增加，∫frdφ反映了物体转动动能的增量。对汽车驱动轮来说，无滑滚动情况下，瞬时位移X=Xc+ Xd=0，所以静摩擦力合功为0。

但从 ∫fdXc这个式子中可知静摩擦力做了正功，使汽车的平动动能增加；另一方面，从-∫frdφ可知静摩擦力做了负功，使转动动能减小；在无滑滚动情况下，驱动轮减小的转动动能和汽车增加的平动动能刚好大小相等，一正一负，其和为零。同理，在无滑滚动情况下，对于从动轮，汽车减小的平动动能和从动轮增加的转动动能刚好大小相等，一负一正，其和为零。从上面的分析可知，静摩擦力虽不做功，但是它使汽车的转动动能与汽车的平动动能之间进行转换，没有静摩擦力这个平台的存在，汽车就无法正常运动，所以我认为静摩擦力在里面扮演了“中介”这个角色的作用。

    综上所述，汽车启动过程中施于驱动轮上的内力矩引起了静摩擦力这个外力，这个外力是产生加速度的直接原因，根本原因是内力；静摩擦力不做功，但是由它实现了转动动能与平动动能间的转化，使内力做功产生的转动动能转化为车辆平动动能，根本原因还是内力做功，这与人的走路、跑跳等活动类似，都是内力引起静摩擦力这个外力，本质是内力做功，但其中静摩擦力扮演了很重要的角色作用。

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