[科普中国]-牵引力

简介

中学物理经常提到汽车、卡车、火车自行车等各种机动车的牵引力。有人认为，牵引力是指传动系统对主动轮施加的力。诚然，发动机通过传动系统对主动轮施加的力，促进主动轮的转动，对于整个汽车的正常行驶，这个力具有根本的重要性。 但所谓“牵引力”不是指这个力。有人认为“汽车受到的牵引力”，是指“地面对主动轮施加的向前的水平力”。这个说法也不完全对。1

举例在下面的叙述中，用f ，f1 ，f2 ，f3 ， f3' ， F合 表示力的大小，它们都是正值。

发动机不工作而汽车继续向前行驶时,空气对它的力f1向后,地面对从动轮的水平力f2向后，对主动轮的水平力f3向后. 汽车受到的阻力f满足：f=f1+f2+f3 (1)发动机工作，汽车加速行驶、匀速行驶的时候，空气对它的力f1向后,地面对从动轮的力f2向后，地面对主动轮的力f3'向前. 这时合力F合满足：F合=f3'-(f1+f2) (2)如果我们把f3'定义为牵引力的大小，把(f1+f2)定义为发动机工作时汽车受到的阻力的大小，似乎也是有道理的。但事实上，牵引力和阻力的定义不是这样的。(2)式可化为 F合=(f3'+f3)-(f1+f2+f3) (3)事实上，(f3'+f3)被定义为牵引力的大小，(f1+f2+f3)被定义为阻力的大小。根据这个定义，如果f3'=3000N，f3=2000N，那么牵引力大小为5000N.1

这样定义，道理不是显而易见，所以一般书上也避而不讲。发动机工作的效果，不是使主动轮受到的水平力，由零变为f3:而是使主动轮受到的水平力，由向后的f3变成向前的f3. 认识到这一点，也许有利于我们理解这个定义。在谈论牵引力的功时，整个汽车是作为一个质点对待的，这样，牵引力的功，等于牵引力跟汽车路程的乘积。把牵引力做了以上定义后，发动机的输出功率（跟汽油消耗量和效率有关），才等于牵引力的功率。这是采用以上定义的根本理由。以上没有提到发动机以很小的功率工作，汽车（原来速度较大）减速运动的情况。这种情况下，f3有可能向后。如果向后的话，那么一定小于f3。如果向后的话，物理上仍说，有牵引力——牵引力的大小为f3-f3.以上没有提到汽车所有轮子都是主动轮的情况。那并不是更复杂的情况，就不多说了。1

原理1.即拉力，拉引力。指沿一定方向，采用拉拽方式对物体施加的作用力。2.工程上指由机械产生的承载能力，通常用功率表达。

3.泛指产生拉作用或等效拉作用的力。1

解释中学物理经常提到汽车、自行车、火车等各种车的牵引力应是指传动系统对车体的各轮施加的合力。有人认为，牵引力是指传动系统对主动轮施加的力，这是不正确的。以自行车为例，自行车的承重是由两轮共同承担的。不考虑其它因素，以摩擦因素来分析，前轮也需要外动力。牵引力应是两轮摩擦力之和。还有人认为，“前轮摩擦力方向向后，是阻力；后轮摩擦力方向向前，是动力，因此，牵引力是指传动系统对主动轮施加的力”。---这句话是完全错误的。后轮摩擦力向前是以外部为参照的表观显示，实质上，它是主动轮圆周力（力偶矩）的反作用力。它的方向应按时针法来判定。即，它是转动的阻力，在计算上，前、后轮摩擦力的正负号是一致的。这一点要特别注意。当汽车以额定功率启动时牵引力 F=P/V.P是功率单位是瓦（W）V是速度单位是米每秒（m/s）汽车加速时有 ma=F-ff 是摩擦力，又 F=P/V做题时，这两个公式，可以一起用。1

机械工程牵引力的计算在铁路机车车辆方面尤其常见，是重要的性能指标之一。实际应用的机车牵引力按照力的传递过程可分为几种，由动轮轮周上作用力而产生的切向外力，称为轮周牵引力；车钩牵引力（或称挽钩牵引力）是指机车用来牵引列车的牵引力，等于轮周牵引力减去机车全部运行阻力。而根据车辆的工作状态，牵引力又可分为起动牵引力、持续牵引力和最大牵引力。起动牵引力是指车辆从静止状态起动时所能够发出的牵引力，其发挥受到粘着限制；最大牵引力是指车辆在不对自身机械构成破坏的情况下所能发出的最大牵引力，其值通常与起动牵引力相同；持续牵引力是车辆在持续速度上对应的牵引力。通过计算速度（v）、功率（P）和力（F）的关系（公式P = vF）可以发现，在功率相同的情况下，牵引力与运动速度成反比。牵引力与速度的关系可以通过牵引力曲线显示，右图是一张典型的牵引力曲线示意图，线段AB为机车起动时所能够发挥的最大牵引力，到达持续速度点B点以后为恒功区，机车开始发挥额定功率，同时牵引力随着速度提高而下降。1