车轮上的静摩擦力

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静摩擦力的定义告诉我们它的方向是与相对运动或者相对运动趋势方向相反，但是无论是自行车还是汽车，静摩擦力都是推动其向前运动的直接动力，那么汽车怎么样通过静摩擦力获得动力呢？我们知道从能量的角度来考虑静摩擦力并不做功，汽车前进的动能来自于燃油的化学能，怎么样以静摩擦力为媒介实现能量的转移也值得我们探讨。

1、静摩擦力通过传动装置成为驱动力

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，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，这个力就成为车辆前进的直接动力.那汽车的驱动力矩与什么因素有关呢？在发动机内部，当离合器接合飞轮与变速箱之后，引擎的动力就传达至变速箱，简单而言，变速箱内部就是两排不同大小的齿轮，驾驶人在座舱内进行换档动作时，拨动排档杆，排档杆连结的连杆会衔接至齿轮箱内，改变两排齿轮的相对位置，藉着不同齿轮之间的搭配，完成变速的目的。两个齿轮之间，如果被带动齿轮与带动齿轮的齿轮比越高，那么被带动齿轮的旋转速率越低、但是输出扭力越高；反之，齿轮比越低，那么被带动齿轮的旋转速率越高、但是输出扭力越低。用公式表示即为：

F×R=M×N1×N2×η

F：驱动力；R：车轮半径；M：扭矩；N1：变速箱齿轮比；N2：最终齿轮比；η：机械效率

发动机产生的扭矩并不一定全部能转化成为汽车前进的动力，如果地面比较光滑，路面与轮胎间的最大静摩擦力小于理论驱动力，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。

2、静摩擦力做功问题的讨论

汽车启动后，传动装置带动车轴转动，从而使车轮产生转动动能，车轮相对于地面的相对运动方向向后，故地面对车轮产生向前的静摩擦力。轮胎在地面滚动时，其接触点与地面的相对位移为零，因此这个静摩擦力并不做功。但是能量怎么从内能转化为汽车的动能呢？汽车在运动时包括车身的平动和车轮绕车轴的转动，在车轮没有打滑的情况下，车轮与地面接触点是个瞬间不动点，从速度角度分析车轮其与车轴一起有向前的平动速度v，也具有因转动而向后的线速度-v，因此合速度为零，路面上留下的是清晰的轮胎花纹而不是打滑或急刹车时留下的带状痕迹了。做功可以采用微积分的方法来计算，令接触点的瞬间位移为x，它由转动位移xd和平动位移xc组成，xd=R（车轮半径）×φ（转动角度），x=xc-xd，静摩擦力的功为：W=∫fdx=∫fdxc-∫fdxd=∫frdφ。前者为汽车平动动能增量，后者为汽车转动动能增量，对无滑滚动而言瞬间位移合位移等于零：x=xc-xd=0，故静摩擦力的总功为零。具体而言，第一项∫fdxc表示静摩擦力做正功，增加汽车的动能，第二项-∫frdφ表示静摩擦力做负功，减小车轮的转动动能，两者刚好相抵，总功为零。对从动轮的分析也是一样，说明静摩擦力实现了汽车的转动动能与平动动能的转换，将发动机产生的动能转换成为汽车向前移动的动能。

总之，汽车的传动装置将燃油产生的动力转化为驱动轮上的内力矩，使车轮产生转动动能，再借助静摩擦力这个外力来实现转动动能向汽车平动动能的转化，故根本原因还是在于内力做功，静摩擦力只是起到媒介作用。