靜磨擦力的定義告訴我們它的方向是與相對運動或則相對運動趨勢方向相反,而且無論是單車還是車輛,靜磨擦力都是促使其往前運動的直接動力,這么車輛怎樣樣通過靜磨擦力獲得動力呢?我們曉得從能量的角度來考慮靜磨擦力并不做功,車輛前進的動能來自于燃油的物理能,怎樣樣以靜磨擦力為媒介實現能量的轉移也值得我們剖析。
1、靜磨擦力通過傳動裝置成為驅動力
我們先從車輛的驅動輪受力情況剖析.通常車輛的后輪為導向輪,后軸為驅動輪.以無滑滾動為例,因為底盤推動傳動裝置使前輪遭到一個驅動扭矩的作用,形成轉動,使后軸與地面接觸處相對地面有向后運動的趨勢,于是路面對前輪形成往前的靜磨擦力,這個力就成為汽車前進的直接動力.那車輛的驅動扭矩與哪些誘因有關呢?在底盤內部,當離合器接合飛輪與變速箱以后,引擎的動力就傳達至變速箱,簡單而言,變速箱內部就是兩排不同大小的蝸桿車輪摩擦力方向的判斷,駕駛人在座艙內進行換檔動作時,撩動排擋桿,排擋桿聯結的曲軸會銜接至蝸桿箱內,改變兩排蝸桿的相對位置車輪摩擦力方向的判斷,藉著不同蝸桿之間的搭配,完成變速的目的。兩個蝸桿之間,倘若被拉動蝸桿與推動蝸桿的蝸桿比越高,這么被拉動蝸桿的旋轉速度越低、但是輸出扭矩越高;反之,蝸桿比越低,這么被拉動蝸桿的旋轉速度越高、但是輸出扭矩越低。用公式表示即為:
F×R=M×N1×N2×η
F:驅動力;R:車輪直徑;M:力矩;N1:變速箱蝸桿比;N2:最終蝸桿比;η:機械效率
底盤形成的力矩并不一定全部能轉化成為車輛前進的動力,假如地面比較光滑,橋面與輪轂間的最大靜磨擦力大于理論驅動力,就不能使驅動輪做單純滾動而是邊包邊滑,甚至原地轉動不能前進。
2、靜磨擦力做功問題的討論
車輛啟動后,傳動裝置推動車軸轉動,進而使車輪形成轉動動能,車輪相對于地面的相對運動方向向后,故地面對車輪形成往前的靜磨擦力。車胎在地面滾動時,其接觸點與地面的相對位移為零,因而這個靜磨擦力并不做功。并且能量如何從內能轉化為車輛的動能呢?車輛在運動時包括車身的平動和車輪繞車軸的轉動,在車輪沒有抱死的情況下,車輪與地面接觸點是個頓時不動點,從速率角度剖析車輪其與車軸一起有往前的平動速率v,也具有因轉動而向后的線速率-v,因而合速率為零,橋面上留下的是清晰的輪轂花紋而不是抱死或急煞車時留下的帶狀痕跡了。做功可以采用微積分的方式來估算,令接觸點的頓時位移為x,它由轉動位移xd和平動位移xc組成,xd=R(車輪直徑)×φ(轉動角度),x=xc-xd,靜磨擦力的功為:W=∫fdx=∫fdxc-∫fdxd=∫frdφ。后者為車輛平動動能增量,前者為車輛轉動動能增量,對無滑滾動而言頓時位移合位移等于零:x=xc-xd=0,故靜磨擦力的總功為零。具體而言,第一項∫fdxc表示靜磨擦力做正功,降低車輛的動能,第二項-∫frdφ表示靜磨擦力做負功,減少車輪的轉動動能,二者正好相抵,總功為零。對從動輪的剖析也是一樣,說明靜磨擦力實現了車輛的轉動動能與平動動能的轉換,將底盤形成的動能轉換成為車輛往前聯通的動能。
其實,車輛的傳動裝置將燃油形成的動力轉化為驅動輪上的內扭力,使車輪形成轉動動能,再利用靜磨擦力這個外力來實現轉動動能向車輛平動動能的轉化,故根本緣由還是在于內力做功,靜磨擦力只是起到媒介作用。