討論汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)的問題

1、汽車轉(zhuǎn)彎的問題分析PB06203093 暢汽車在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，側(cè)輪上的負(fù)荷大大減小，外側(cè)輪上的 負(fù)荷則大大增加，從而有造成翻車的危險(xiǎn)。為了避免這種現(xiàn) 象，有一種想法是在汽車上安裝一個(gè)飛輪?，F(xiàn)結(jié)合課后的一 道習(xí)題來分析這個(gè)問題 ：為了避免高速行駛的汽車在在轉(zhuǎn)彎時(shí)容易發(fā)生翻車現(xiàn) 象,可在車上安裝一個(gè)高速自旋著的大飛輪。（1）飛輪軸應(yīng)安裝在什么方向上？飛輪應(yīng)沿什么方向轉(zhuǎn)動(dòng)？（2）設(shè)汽車的質(zhì)量是 M，其行駛速度為 v,飛輪是質(zhì) 量為m,半徑為R的圓盤，汽車（包括飛輪）的 質(zhì)心距地面的高度為 h。為使汽車在繞一曲線行 駛時(shí)，兩邊車輪的負(fù)荷均等，試求飛輪的轉(zhuǎn)速。相對(duì)隨汽車一起運(yùn)動(dòng)的參考系而言，參考系是轉(zhuǎn)動(dòng)參

2、 考系，是一個(gè)非慣性系。在這一非慣性系中，汽車除受到重 力，支持力，摩擦力等作用外，還受到慣性力的作用。作用 于各質(zhì)元的慣性離心力的合力通過質(zhì)心 0點(diǎn)。設(shè)汽車在作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)曲率半徑為 r,則易知汽車?yán)@曲率 中心運(yùn)動(dòng)的加速度 a 2r v2/r. Q為繞曲率半徑中心 Oi運(yùn) 動(dòng)的角速度，可得a v.汽車所受慣性離心力合力大小為 F Ma。取車頭中心和車尾中心的連線在地面的投影為轉(zhuǎn) 軸。由對(duì)稱性易知，質(zhì)心在地面上的投影也在該轉(zhuǎn)軸上。F產(chǎn)生的力矩矢量 M。垂直于紙面向里，Mo Fh Mah。在該 力矩的作用下，汽車將會(huì)有向外偏移的趨勢(shì)。設(shè)左右輪相距 I,由力矩平衡，叫寸Fh N22則N2 Ni 2F

3、h/l 0。且 在豎直方向上Ni N2 Mg。所以，汽車外側(cè)輪所受的支持 力將會(huì)增加，側(cè)輪所受的支持力將會(huì)減小。若轉(zhuǎn)彎時(shí)速度過 大，外兩側(cè)車輪負(fù)荷差將大大增加，故將有翻車的危險(xiǎn)。再考慮裝上飛輪的情況。此時(shí)汽車和飛輪整體所受的離 心力合力大小F (M m)a。為了使汽車在不論右轉(zhuǎn)還是 左轉(zhuǎn)的情況下都能減少、外兩側(cè)輪子的負(fù)荷差，由物理直覺 可知，飛輪需向前或向后旋轉(zhuǎn)。則飛輪的自轉(zhuǎn)軸需與所選的 軸線垂直?，F(xiàn)考慮飛輪的具體轉(zhuǎn)動(dòng)方向。假設(shè)飛輪與車輪旋轉(zhuǎn)方向相反。飛輪上的B、D兩點(diǎn)速度與汽車做曲線運(yùn)動(dòng)的角速度Q平行，不受科里奧利力作用，但A、C兩點(diǎn)受到如圖所示的科里奧利力 fA和fc的作用，fA 與fc產(chǎn)

4、生的合力矩與慣性力 F力矩方向相反。不難看出，飛 輪上各點(diǎn)都受到大小不等的科里奧利力作用。它們的合力矩 矢量和F的力矩矢量方向相反。若選擇合適的飛輪轉(zhuǎn)速，則 可使二者相等。此時(shí)，相對(duì)進(jìn)動(dòng)參考系，汽車所受的慣性力 力矩被科里奧利力力矩平衡。所以汽車外側(cè)輪上的負(fù)荷將會(huì) 均等。當(dāng)慣性力力矩和科里奧利力力矩平衡時(shí)，飛輪進(jìn)動(dòng)角速度與汽車做曲線運(yùn)動(dòng)角速度Q相同。飛輪自轉(zhuǎn)角動(dòng)量L 1 1mR2M 0 M m ah aL 丄mR2 v2可得2 M m hvmR2由上可知，假設(shè)飛輪與車輪旋轉(zhuǎn)方向相反符合題設(shè)要求。而若飛輪與車輪旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)，用相同方法分析，可 知其反而會(huì)使外側(cè)車輪負(fù)荷差進(jìn)一步加大，故是錯(cuò)誤的。

5、所以本題的結(jié)論是飛輪裝在汽車左右對(duì)稱的對(duì)稱軸上，轉(zhuǎn)動(dòng)方向與車輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，轉(zhuǎn)速2 M m hvmR2再在實(shí)際問題中簡(jiǎn)單估算一下飛輪的轉(zhuǎn)速。假設(shè)存在這么一個(gè)飛輪，對(duì)小汽車而言，m M 1200kg，h 0.5m，飛輪的半徑R 0.2m，質(zhì)量m 50kg。車以60km/h 速度 轉(zhuǎn)彎，可得10000rad/s。若再考慮車輪旋轉(zhuǎn)的角動(dòng)量，因與飛輪旋轉(zhuǎn)方向相反，則飛輪所需的轉(zhuǎn)速將會(huì)更高。這個(gè) 質(zhì)量較重的飛輪轉(zhuǎn)速太高，以至于在實(shí)際中無法達(dá)到要求。因此該題中的想法很難應(yīng)用到實(shí)際。所以，在實(shí)際中，要通過其他的辦法避免這種事故的發(fā)生。在轉(zhuǎn)彎時(shí)要避免高速行駛，同時(shí)在路況條件一定的情 況下盡量增大轉(zhuǎn)彎時(shí)的曲率半徑，這樣可減小F的大小，從而減小左