老司机都懂的x件事，一般人我不告诉他_风闻

原创：中科院物理所

　　临近双十一，

　　小编还寻思着不知道买点啥的时候，

　　室友忽然告诉我ta！买！车！了！

　　？

　　忽然间脑海里就闪现过秋名山车神的种种名场面——

　　《头文字D》 来源：知乎@飞隅

　　开始盘算哪天一起出去自驾——

　　然后把自己积攒多年的【老司机都懂的x件事】告诉室友——

　　这时候，

　　室友亮出了自己的新车——

　　啊这，

　　原来是双十一搬运快递的手推车啊喂~

　　但是【老司机都懂的x件事】已经“话到嘴边不得不说”，

　　不论是秋名山车神还是购物车车神，

　　你，值得拥有——

　　01

　　每一辆成功的车身后，

　　都有默默转动的轮子

　　1904年，一辆传奇汽车“福特999”创下了91.37英里 (大约每小时147公里) 这一陆上速度纪录后，固特异公司特地给福特写信提到：“世界第一的赛车上，不要忘记车上的轮胎是固特异制作的。”

　　福特999赛车模型  来源：搜狐汽车 

　　轮胎和汽车既是一个整体，也是相互成就的不同部分，一辆车能否满足人们的交通需求，轮胎是那个“幕后英雄”。其实无论是购物车、自行车、行李箱，还是赛车、汽车，这些工具省力的原因都是因为——有轮子。那么问题来了：

　　为什么用轮子运东西，比把同样的负重放在地上拖走更省力呢？旋转的轮子又是如何带动车身前进的呢？

　　我们先来回顾一个基本原理：运动的叠加。

　　如果A相对于B以v1的速度在运动，B相对于C以速度v2在运动，那么A相对于C的运动速度就是v1+v2。

　　落实到轮子的问题上也一样：半径r的轮子在转，如果它的角速度是 ω，那么距离轴 r 的一点相对于轴就有了一个大小是ωr的线速度。另外，整个车在向前走，轴自然要跟着车有一个相同的速度 v。于是轮子外沿上任何一点相对于地面的速度就是ωr + v。

　　我们格外关心的是轮子和地面直接接触的地方，因为只有和地面接触，才会和地面有相互作用。如果不考虑形变的话，那就是一个点，所有的摩擦力都集中到了这一点上。

　　理想条件下，轮子都在进行“无滑滚动”——也就是说，轮子****和地面接触那一点，相对于地面是静止的，有ωr + v = 0。如果轮子的角速度 ω 和车速 v 不变，那么轮子与地面相互接触的两点也没****有相对运动的趋势，所以，基本的力学告诉我们，轮子和地面没有摩擦。

　　02

　　每一个转动的轮子身后，

　　还有一大堆阻力

　　既然车轮与地面没有摩擦，是不是意味着就没有阻力了呢？

　　并不。阻力的来源有很多，首先轮子与车之间依靠【轴】进行连接。轴是不能跟着轮子转的，不然坐车的时候车就会跟着轮子一起转（

　　因此轴和轮子相接触的地方，就必然要有相对运动，必然要有摩擦。但是这个摩擦相比于把负重直接放在地上拖走，还是要小很多。我们可以来算一算：假定你要把负重 m 水平匀速拉走 2πr 的距离，用蛮力拖走,你需要的功是 2πµmgr，此处 m 是负重的质量，µ 是与地面的摩擦系数。如果用半径为 r 的轮子来办这件事，我们只需要让轮子转一圈。如果轴的半径是r0，轴和轮的摩擦系数是µ0，轮和轴之间的压力应该还是 mg，这样你需要的功就是2πµ0mgr0，换句话说，用轮子需要的功，是直接蛮力拉走同样距离的功的µ0r0/(µr)倍。

　　为了让µ0尽可能的小，有了【轴承】。

　　轴承   来源：百家号

　　我们也希望轴的半径r0尽可能地小，但是，你的轴是要承担负重的，所以没法做太细。然后，你还可以把轮子的半径做大一点，但轮子半径并不是越大越好。

　　另一方面，轮子放在地上，地面总是要【变形】的，轮子会给地面压出个坑来，所以轮子实际上是相当于在坑里爬坡。

　　地面有微小变形，其实轮胎与地面不止一个接触点

　　当然这样也会带来一定的阻力，所以要把路面修的很坚硬，以减少这种形变。力的作用是相互的，轮子自身也会有变形，因而带来阻力。所以轮胎一定要把气打足，就像火车那样，铁轮和铁轨硬碰硬。这也是为什么自行车只有2个轮子，而那些运输重物的大货车会有6个甚至8个轮子——多装几个轮子以减少对地面的压强，可以降低轮子与地面的两种变形。（坦克表示：要不直接安装履带吧

　　03

　　转弯不减速，

　　就能实现漂移吗？

　　作为车神的基本技能，那些急转弯的路面上，怎能缺少“漂移过弯”的长长胎印呢？

　　来源：百度

　　来源：好看视频

　　想知道漂移是怎么实现的？别急，在了解漂移过弯的原理之前，让我们先看看日常的刹车和转向。

　　首先考虑简化版的刹车。一辆车在上文的理想条件下开的好好的，突然刹车，轮子一下子被“定住”，不能再转了，这时候轮子的转速 ω=0 而车身前进的速度 v≠0，因此ωr+v≠0。于是与地面接触的那一点就有了滑动摩擦力 µF（此处F为车对地面的压力），它的方向和运动方向相反的，大小则约等于你把车的放在地上直接拖走。这自然是件非常暴力的事情，因此有时候你在地面上可以看到非常深刻的胎印。

　　对于转向，我们也讨论一个简单模型。假定理想条件下行驶的车，你突然把它的轮子转过一定角度，而原来的车速还保留，这样 ωr 和 v 就不再共线了，因此 ωr + v 就不会得零了，于是轮胎和地面接触点又有了摩擦力。

　　而我们知道，摩擦力的存在就是减小相对运动（或趋势）的，所以它会让车身速度v偏向与轮子的取向相一致。因此，你把前轮往左转，前轮就会受到地面向左的摩擦，一方面有了向左的加速度，把速度矢量拉了过去；另一方面有了向左转的力矩，让车的“朝向”向左旋转，于是整个车就向左转过去了。

　　当然，实际的转向不可能是把轮子直接掰过去，总要有个过程。你要给轮子一个向左偏的趋势，这个向左偏的趋势让轮子和地面间产生一个静摩擦，如果转弯不是太猛，那么这个静摩擦其实也就够用了，所以转向一般不会像刹车那么暴力。但若是速度太高，转向过猛，有时候静摩擦都不够用了，于是轮胎出现了侧滑。**而赛车手的经典漂移技巧，又称“甩尾”，就是通过后轮对质心的旋转力矩小于前轮，后轮的静摩擦转换为滑动摩擦，以达到“车尾外滑”，来实现的。**它可以通过多种方法来实现，但是属于危险操作，在这里小编就不细讲了（

　　在日常通勤时，如果静摩擦不够转弯，你的轮子，车头的指向，还有车身速度矢量，三者完全不在一起，难以操控，是非常危险的，对轮胎也不友好。所以**切记切记，转向一定要减速！**道路千万条，安全第一条！

　　图源网络

　　04

　　加速不够猛？

　　可别光责怪发动机

　　在小编还年轻的时候，某赛车游戏提供了各种炫酷华丽的胎印（漂移过弯时会在路面上展现），曾误导小编以为车轮上印各种复杂花纹是为了好看的胎印。

　　然而，上一节提到“刹车”时，曾粗略的估计过刹车力大小约为动摩擦力µF。所以轮胎的花纹，是为了增大这里的µ，以便更快地减速。同理，如果想要加速，也需要借助摩擦。

　　此时轮子受到的力，首先有地面的摩擦力 f（可以是静摩擦或动摩擦，但不会大于 µN）。除此以外，有可能受到某个驱动力矩 K 让它旋转。假设轮胎的转动惯量为l，不考虑轮和轴摩擦。于是得到轮子旋转的方程：

　　另一方面，考虑整台车的运动。车在地面上要加速，有可能是受到了某种推动力 F，比如手推车，除此以外就只有地面摩擦 f 了，有：

　　摩擦力的存在，当然是要使得轮胎与地面接触的点，尽可能地相对静止，也就是说，它会试着保持 ωr - v = 0（此处wr和v均取标量），或者说

　　，于是把第一个方程乘上 rm 并和第二个方程乘上 I 相加：

　　因此

　　在这种情况下，轮子与地面的接触点，始终相对于地面静止。但是，由于轮子的速度和旋转速度都要改变，轮子的着地点就可能会有和地面相对运动的趋势，为了消掉这种趋势，产生了一点摩擦力。对应于汽车启动，F = 0，这点摩擦力就是车的动力，让车身速度能够跟得上轮子的转速。所以给轮子的力矩越大，轮子的角加速度越大，相应的摩擦力也就越大，汽车的加速度也就越大。

　　可是摩擦力是有限度的。如果力矩太大，摩擦力就不足以消除相对运动的趋势，于是趋势就真的变成了相对运动——轮子转的飞快，但是车几乎不动，比如说在冰面上……切记不能猛踩刹车，这样反而会让车子更加难以控制；正确做法是，缓慢平稳的一踏一放制动踏板，并且观察留意前后方的车辆。慢慢纠正方向盘，回正后，轻点油门，让轮胎慢慢恢复附着力，然后再慢慢点油门启动。

　　轮胎打滑空转  来源：百度

　　你总是说，发动机你再超载一下吧。可是，发动机已经很累了，它不想再超载了，而且它知道你加速度不够是因为轮胎摩擦力太小，和它没关系（ 

　　写在最后

　　呼~

　　终于把【老司机都懂的x件事】传授给了室友

　　再看了一眼手推车

　　它似乎还不太明白

　　自己为什么要承受这么多期待

　　咳咳

　　不过话又说回来

　　毕竟双十一就快要付尾款了

　　疫情期间的快递与外卖小哥

　　的确承受了更高的期待

　　希望老司机们路上都稳~稳~哒~

　　di

　　参考文献

　　《理论力学（第8版）》高等教育出版社

　　一些概念及术语参考了维基百科

　　幸亏还有人一次又一次重新发明轮子_百科TA说 (baidu.com)

　　漂移（赛车术语）_百度百科 (baidu.com)

　　轮胎打滑空转怎么办-百度经验 (baidu.com)

　　封图来源：知乎@明月淬火