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本討論串由 亞伯特。愛因斯坦 設定狀態為:討論進行中,尚未有結論
力學 標題:汽車行進時前後輪所受到摩擦力方向?
1:黃福坤(研究所)張貼:2007-03-10 17:29:45:
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假設有一部前輪傳動的汽車 引擎開啟後推動前輪轉動 使得汽車往前走
此時前輪對地面的摩擦力是向後 因此地面施予前輪的摩擦力是向前
可是後輪需要跟著前輪同方向轉動 此轉動需要有力矩 
而此力矩必須使前後輪轉動方向一致 因此後輪所受到地面施予輪胎的摩擦力是向後(和前輪所受的摩擦力方向相反)
若前後輪作用力方向相反 大小一樣 則汽車所受合力為零 哪為何汽車能夠前進?
以上說法哪裡有問題?
以下動畫 讓你好好玩一玩!先勾選 開啟引擎 啟動汽車
動畫中假設阻力是 Fb=-b*vx;



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2:xiaoyongxo (大學)張貼:2007-03-11 16:25:16: [回應上一篇]
启动时前后的摩擦力不一样大 启动后 不受空气阻力的话 摩擦力为零 保持运动状态不变 持续向前 . 是吗?
3:黃福坤(研究所)張貼:2007-03-11 21:02:37: [回應上一篇]
後輪只是跟著轉動 而前輪是推動汽車前進因此所需力矩不同
其實實際上後輪摩擦力應該還相對更小!
若完全不受空氣阻力也沒有摩擦的話 前後輪都不需要力矩(也不需要外加動力)
汽車仍可等速度前進 只是這種狀況只可能在腦海中的理想想像!


4:牛角尖榮譽點數68點(大學理工科系)張貼:2007-03-21 21:57:58: [回應上一篇]

這似乎非煞車系統的運作 , 車子由於Fb=-b*vx(猜測這主因是風阻) 而逐漸減速........

引擎關閉的瞬間以後, 後輪應該有問題,
這段時間 前.後輪 應該是處於相同狀況, 受力情況必須相同 ,
因此在引擎關閉以後, 前.後輪受力反向 是無法解釋的 .

至於等速前進的時候(引擎功率=阻力功率):
(1)若視後輪為剛體 ,則無滾動摩擦 , 後輪是處於 未受力.未受力矩 狀態.
(2)若視後輪為非剛體 ,則 驅動性質和阻泥性質的 兩個力偶矩 彼此平衡 ,
若沿輪地接觸面, 把應力對胎面積分,則 水平切向力和垂直法向力, 也都必須為零 ,
因此即使 非剛體時, 後輪仍是處於 淨力.淨力矩 為零.



[ 這篇文章被編輯過: 牛角尖 在 2007-03-21 22:12:26 ]
5:黃福坤(研究所)張貼:2007-03-21 22:22:51: [回應上一篇]

很敏銳的觀察力
其實動畫需要說清楚動畫的設計模型或相關假設

動畫中後輪的作用力 是一種示意的呈現 因為後輪只是跟著轉動 而前輪需要推動整個車子加速過程所需外力與克服的阻力 兩相比較 後輪的作用力實際上要小很多
但是若等比例畫出來 其實畫面上根本看不到後輪的作用力向量
因此我當初用後輪的作用力是前輪作用力的某個百分比 去顯示.

汽車則假設受到和速度成正比的阻力 當然也沒有考慮到煞車 會停下只是因為沒有外加功率時 能量逐漸因為阻力而耗損 逐漸減速

至於後輪若不考慮 本身內部元件間摩擦的損耗 則等角速率轉動時 確實應該沒有作用力
若是考慮輪胎本身會因為摩擦而逐漸停止轉動 則等角速率轉動時 還是需要有一個外力產生力矩 以維持因損耗而轉速變慢 (好像有傳統認為物體若不受外力會逐漸慢下來 需要外力才能持續運動的想法 )

是否其他網友還看出更多可疑之處呢?thoughtful


6:牛角尖榮譽點數68點(大學理工科系)張貼:2007-03-22 06:49:26: [回應上一篇]

嗯~報歉 !
上次回應忘掉了 , 我們只關注於輪.地間的靜摩擦力,
因此等速前進時 , 非剛體後輪和地面間有靜摩擦力,
但和轉軸的向前拉引力 , 共同形成驅動力偶,
而阻尼力偶則是指滾動摩擦力偶.


7:亞伯特。愛因斯坦榮譽點數2點 (高中)張貼:2008-02-22 19:52:56: [回應上一篇]

為什麼前輪受力是向前?

應該是向後巴...向前的話這樣不是會逆時針轉動

為變後退八...

還有那請問一下

如果車子越重不是摩擦力越大嗎?

那應該會比較省油

那為什麼車子越重反而更耗油呢??


8:黃福坤(研究所)張貼:2008-02-22 20:30:42: [回應上一篇]
前輪並非僅受到來自地面的作用力

前輪的轉動是來自引擎所提供的推進力量,
前輪與地面之間 ,地面給輪子的作用力是向前, 所以進車才得以往前加速.
只是通常引擎的力矩大於或等於地面摩擦力的力矩 使的輪胎轉動加速或維持等速
(汽車才會加速或等速前進)

若車子沒有受到空氣阻力等影響 根本不需要油就可以等速行進
為何你認為摩擦力愈大 會比較省油呢?理由為何?


9:亞伯特。愛因斯坦榮譽點數2點 (高中)張貼:2008-02-23 10:09:55: [回應上一篇]

摩擦力的力和引擎給的力產生的力矩方向不是相同嗎?

我是想摩擦力如果越大

產生的力矩就會變得更大

所以引擎只需要給一點點的力速度就可以達到和之前一樣的速度了


10:黃福坤(研究所)張貼:2008-02-23 17:43:05: [回應上一篇]
假設原本輪胎靜止不動,引擎要使得輪胎與地面之間有相對運動
摩擦力就是要阻止以上相對運動的趨勢
所以摩擦力產生的力矩與引擎的力矩相反!也就是動畫中所圖示的方向
好好再想一想吧!


11:亞伯特。愛因斯坦榮譽點數2點 (高中)張貼:2008-02-28 00:35:46: [回應上一篇]

如果前輪的力大於地面的摩擦力的話

那輪胎不就會原地打滑嗎??

那為什麼還會向前呢?


12:黃福坤(研究所)張貼:2008-02-28 17:46:10: [回應上一篇]

我是說 汽車引擎的力矩 大於摩擦力的力矩 則輪胎會加速轉動
汽車引擎與汽車之間的作用是內力 不可能推動車輛前進 是地面給車的摩擦力使得汽車向前加速
正如人會往前走 是地面給人往前的摩擦力 若完全沒摩擦 人才會在原地打滑 (或等速滑行無法加速)
好好想清楚 基本觀念 似乎你還是被原有非物理的想法 所主宰 還沒真正體會 牛頓運動定律的意義
不過國中生能開始如此思考 已經不容易了 好好加油(有些高中生甚至大學生其實也只是記的講法, 但是心理並未真正理解 )

13:亞伯特。愛因斯坦榮譽點數2點 (高中)張貼:2008-03-08 12:38:06: [回應上一篇]

那車子向前也是跟人走路一樣嗎??

也是地面給的反作力而向前的嗎??


14:ly (高中)張貼:2008-08-13 23:07:53: [回應上一篇]

若車子沒有受到空氣阻力等影響 根本不需要油就可以等速行進

為何勒~


15:黃福坤(研究所)張貼:2008-08-14 00:27:08: [回應上一篇]

Quote:

在 2008-08-13 23:07:53, ly 寫了:

若車子沒有受到空氣阻力等影響 根本不需要油就可以等速行進


為何勒~




那你認為 沒有空氣阻車子若要維持等速前進 就需要外力嗎? 理由為何呢?

某甲看到 物體靜止 可是若某乙在等速前進的車上 看到物體會是以等速後退 難道某乙會以為該物體需要外力嗎?

16:joneyou (國中)張貼:2008-08-27 02:29:15: [回應第7篇]
摩擦力?这要看是什么样的物质,摩擦面积;再有就是物体越重,所耗的能量就越多!
17:林禹丞榮譽點數18點 (大學理工科系)張貼:2008-09-03 18:59:58: [回應第5篇]
恩,前後輪的正向力好像滿值得思考

18:窩主榮譽點數3點(研究所)張貼:2008-09-28 16:43:38: [回應第12篇]

Quote:
在 2008-02-28 17:46:10, 黃福坤 寫了: 我是說 汽車引擎的力矩 大於摩擦力的力矩 則輪胎會加速轉動
汽車引擎與汽車之間的作用是內力 不可能推動車輛前進 是地面給車的摩擦力使得汽車向前加速
正如人會往前走 是地面給人往前的摩擦力 若完全沒摩擦 人才會在原地打滑 (或等速滑行無法加速)
好好想清楚 基本觀念 似乎你還是被原有非物理的想法 所主宰 還沒真正體會 牛頓運動定律的意義
不過國中生能開始如此思考 已經不容易了 好好加油(有些高中生甚至大學生其實也只是記的講法, 但是心理並未真正理解 )

黃教授我必須先跟你說聲抱歉

個人在摩擦力觀點有些不同看法不在於我誤解它或強詞

F=ma是力的操作形定義

我們也知道概念形定義是 dE/dl 或 dU/dl

凡是對外作功本身必消耗能量

我可以接受目前普遍說法認為靜摩擦使物體前進,但地面損失什麼能量?

車子前進的動力來源的確是內能阿,在我的想法裡,靜摩擦力只是提供能量的轉移(如雲霄飛車的軌道)

因為我已在另一個煞車問題提出較不客氣看法,在此只想表達不是胡鬧,而是希望從能量觀點看現象.畢竟能量守恆是個原則,運動定律只是模式(我認為牛頓3才是真正的定律-動量守恆)

反作用靜摩擦力是個事實,但個人認為它只是提供一個支撐力

當菲爾普斯在200m比賽岸邊折返時,雙腳往游泳池牆壁一蹬,改變速度的確是反作用力造成,但是我無法接受牆壁對菲爾普斯作功.釋放能量的是它的雙腳不是嗎?

我在解釋車子前進時都是選擇輪胎與地面接觸點為支點,引擎與車子為相反力矩


19:黃福坤(研究所)張貼:2008-09-28 17:23:09: [回應上一篇]
其實沒有甚麼好抱歉 討論區原本就是提供討論 不同觀點
況且很多情況下 也沒有誰對誰錯 而是觀點不同 處理方式不同而已

例如 亞里斯多德 認為物體需要外力才會持續運動 , 若沒有外力 則會逐漸變慢直到靜止
或者物體會自然落下 等 其實 也沒有錯
只是因為他將 摩擦力或空氣阻力等外力與物體混為同一個系統 因此得到以上結果
但是也因為沒有區分物體與其他阻力 因此要等到 伽利略將阻力分開後 才有另一種觀點出現 牛頓也因此找出 力與運動狀態改變之間量化的關係
Quote:
當菲爾普斯在200m比賽岸邊折返時,雙腳往游泳池牆壁一蹬,改變速度的確是反作用力造成,但是我無法接受牆壁對菲爾普斯作功.釋放能量的是它的雙腳不是嗎?


以上情境 依照目前以牛頓學說的常見處理方式 是
將人視為一個系統 因此 牆壁與人之間交互作用 之 牆壁對人的施力 視為外力
如此方式處理問題 和其他力學問題處理方式一致

你要將腳視為能量來源 也沒有甚麼不可以 只是想請教的是 此時你的物理系統為何?
你要如何詮釋整個運動狀態的改變? 歡迎你提出一個完整的說法
在你尚未提出完整說法之前 無法繼續討論
牛頓定律說明 系統受外力時 會有動量變化. 沒有區分 支撐力或...力的差別

同樣的也希望你能針對 汽車前進時 以引擎與車子為相反力矩 的觀點 詳細說明汽車如何前進的物理論述

你特別提及 車子前進的動力來源的確是內能 我還是無法確認你系統如何選取

還是根本你就沒有接受牛頓力學的學說 而是用自己另外一套觀點 與處理方式
願聞其詳


20:窩主榮譽點數3點(研究所)張貼:2008-09-29 10:57:46: [回應上一篇]

Quote:
在 2008-09-28 17:23:09, 黃福坤 寫了:

Quote:
當菲爾普斯在200m比賽岸邊折返時,雙腳往游泳池牆壁一蹬,改變速度的確是反作用力造成,但是我無法接受牆壁對菲爾普斯作功.釋放能量的是它的雙腳不是嗎?


以上情境 依照目前以牛頓學說的常見處理方式 是
將人視為一個系統 因此 牆壁與人之間交互作用 之 牆壁對人的施力 視為外力
如此方式處理問題 和其他力學問題處理方式一致

你要將腳視為能量來源 也沒有甚麼不可以 只是想請教的是 此時你的物理系統為何?
你要如何詮釋整個運動狀態的改變? 歡迎你提出一個完整的說法
在你尚未提出完整說法之前 無法繼續討論
牛頓定律說明 系統受外力時 會有動量變化. 沒有區分 支撐力或...力的差別

同樣的也希望你能針對 汽車前進時 以引擎與車子為相反力矩 的觀點 詳細說明汽車如何前進的物理論述

你特別提及 車子前進的動力來源的確是內能 我還是無法確認你系統如何選取
還是根本你就沒有接受牛頓力學的學說 而是用自己另外一套觀點 與處理方式
願聞其詳

菲爾普斯與游泳池(地球)視為同一個系統,則系統質心沒變(在地球座標),雙腿視為內能,相對於牆改變速度,如同密閉盒內定溫定壓時,巨觀內能未變,微觀分子與分子間互相作用.

將菲的雙退愈上半身視為兩物體,雙腿蹬牆時如同彈簧,牆僅提供支撐力,彈簧釋放能量,同時作用在牆與上半身使身體改變速度,離牆前後身體與雙腿的質心在視為兩物或視為同物是等效的(我作過蚱蜢跳躍的類似演算),因為力的傳遞需要時間,所以我個人認為腳與強的作用力反作用力只發生在牆與腳底,因此這種切割是合理的

觀念物理這本書中提到,物體放在桌上受到桌面反作用力在微觀中可視為被分子碰撞向上運動,但隨即被引力拉下,巨觀中的大部分靜止其實充滿小振動,我沒能力仔細算出菲再蹬牆時,牆壁分子到底對他作多少功,但顯然雙腳釋放能量且持續推動上半身來看還是以雙腿為主

這樣的觀點比較能禰平我對於"對外作功必損失能量"的堅持

小時候有一種木製車線軸玩具      是將橡皮間穿過軸的中空長洞後以長短兩根木棒撐住,長棒與線軸間擦蠟燭減少摩擦,然後轉緊橡皮筋後放在地面上,它就會自動往前滾.

那時我就發現:有時候長棒擱錯方向,

線軸與地面摩擦夠大,長棒會繞半圈直到卡住地面   ,

地面反作用力(當然這是長大後才知道)提供線軸滾動(我們在玩滾輪胎遊戲時是手提供動力,輪與地面沒有明顯愈運動傾向,所以不是摩擦力使輪前進,當然啟動瞬間及滾動期間提供支撐力),輪與地面接觸點視為支點較合理

後面的實驗更好玩,如果長棒夠重,且發生"有時候長棒擱錯方向"線軸與地面摩擦夠大,長棒會有時翹起來,又被重量拖下去,如此反覆的使線軸一頓一頓的前進 

,這時是重力使線軸前進.

將汽車輪胎與地面接觸點視為支點,引擎動力使車前進,車子欲維持慣性產生反力矩(前輪驅動車)我們知道選用不同支點是等效的,這跟前例線軸玩具長棒在後原理一樣

前輪驅動有很多優點,這是其中之一.而後輪驅動(摩托車)就像線軸玩具長棒在前原理一樣,車子很容易往上翹,前進效率不高.

我接受運動定律也採用第三定律觀點詮釋

一個能量屬不屬於內能端看系統選擇,我的看法是摩擦力提供能量轉移(如同雲霄飛車軌道),在車前進模式中,選擇以後輪力矩(前輪驅動)或車重力矩(後輪驅動)來說明前進原因.仍釋以外力來解釋.

外力的來源一定是外系統主動產生的嗎?牛頓三只提出原理並未釐清能量轉換的主客關係,我們一般解釋現象也只是用一套大家接受的模式

就像大多數人選擇用一樣原理解釋車子跟人前進的原因,我選擇比較累的兩種模式解釋,是因為我個人的堅持:力量的來源是能量+反作用力是作用力的能量轉換結果(這本來就是牛頓三背後的原理)

外力跟內力是我們選擇的再說明時比較沒有麻煩的用法不是嗎?

回到密閉盒的那一群氣體分子,在統計上,它是有機會哪一天多數朝哪個方向跳那麼一下,我真期待有人設計出花粉實驗中用小盒子關住水分子的布朗運動,很難啦,但想像一下會很爽.(因為那個盒子的質量仍遠大於包在裡面的水分子,分子數要夠少,盒子也作不出來)(可以證明兩者等效嗎?)

SVG能模擬嗎?

 

 

 


21:黃福坤(研究所)張貼:2008-09-29 12:21:53: [回應上一篇]
從 以上的論述 可知道 你所選擇的系統 與 一般課本常見的選擇方
式不同
例如你將人 切成兩個系統 , 而一般簡化 將人視為一個系統

對於初學者 我的認為是 簡化的方式 會比較清楚
等到學習者到 某程度時 可以思考 更複雜的部分 或觀點

又如 確實有些作用力 並非物體主動產生 如正向力 其大小不僅和上方物體的質量有關
也和該物體運動狀態有關 也可能和上方物體是否受到其他作用力等有關

從某種角度對外作功必損失能量 確實如此 只是這時又將作功者 與探討的系統混在一起
對於已經理解的人 可能不妨礙 但是對於初學者 可能覺得系統更加複雜

物理其實提供 簡化 解決問題的方式. 探討其深層意義 可等待初學者 真正理解後 再開始
一開始就想將很深層的所以意義都告知初學者 可能得不償失!
況且解決問題的方式 或觀點 原本就可以不止一種 
不見得誰對誰錯 或者對某人可能比較簡單的論述 可能對另一個人可能覺得比較複雜
將問題與詮釋方法描述清楚 就是本討論區期待提供的功能與管道


22:窩主榮譽點數3點(研究所)張貼:2008-09-29 15:05:45: [回應上一篇]

我本人作的是國中基礎教育

未嘗違背普通物理說法

例如在課堂上還是採用摩擦力使某些運動進行(or不會主動告知分子的暴動現象)

若有些思考深入的學生提問,則告訴他不同觀點,對於這些跳躍的心靈,堅持常態說法也是一種禁錮

也許是個人習慣,覺得國中教育應該定性重於定量,出題也不喜歡計算題,跟這裡大多人一樣希望學科學多思考,這個基本初衷並沒不同

很高興您看懂我的說法,這也只是在討論中出現,我當然不敢用太複雜觀點"荼毒"學生

很久以前的當年,即使是大行家也都不相信沒空氣的外太空能使火箭繼續飛行,先有事實才有模型

而跨越思考的人能先想像而提出模型,證據隨之而來,已屬天才

菲爾普斯並不需要思考這些,但是它的成績卻是由科學理論發展的新式游法推進的,正如芸芸開車大眾

科普就是要講得讓大家都明白,討論則是深迷其中的人聊作消遣


23:力學電磁學都很糟榮譽點數35點 (高中職)張貼:2009-08-20 17:07:13: [回應第15篇]
Quote:
在 2008-08-14 00:27:08, 黃福坤 寫了:
Quote:
在 2008-08-13 23:07:53, ly 寫了:

若車子沒有受到空氣阻力等影響 根本不需要油就可以等速行進

為何勒~



那你認為 沒有空氣阻車子若要維持等速前進 就需要外力嗎? 理由為何呢?

某甲看到 物體靜止 可是若某乙在等速前進的車上 看到物體會是以等速後退 難道某乙會以為該物體需要外力嗎?

我想他的意思是:  前進時,不僅只有空氣阻力。

(可是他又加了一個"等影響",所以不知是"等"什麼?)


24:翼哥 (高中職)張貼:2010-03-05 18:32:24: [回應第1篇]
可是可是  大家有沒有想過如果這部車是4輪傳動車在任何速度與輪子摩擦力的問題???
25:黃福坤(研究所)張貼:2010-03-05 21:59:09: [回應上一篇]
若前後輪都同時傳動 會有很多狀況
前後輪 傳動協調好可發揮更大功效
沒有協調好 部分功率會抵消 若想討論 請更詳細說清楚問題 的情境


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黃福坤 修改,轉成中文版面並增加功能 從2011/06/15起
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