煞車vs.摩擦力

生活科學趣談

機車煞車先按前輪還是後輪… – ETtoday發布於2018年1月20

小時候看到大哥哥們騎腳踏車放雙手覺得很神奇,特別是轉彎時也不握把手,身體一傾就過彎了

Oops! 貼錯了…

https://youtu.be/V7Ac8axo66I

不管有沒有握住把手,騎腳踏車轉彎時身體都得傾斜來壓車,這樣才能順利過彎(若只轉把手而身體不傾斜會如何?)。不過開車應該沒有人在過彎時會藉由傾斜身體來壓車吧^^,這時轉彎所需的向心力是來自於地面所提供的側向摩擦力。以下圖為例,這輛在水平路面上行駛的汽車速度方向是進紙面(從車後方觀察),而且向左轉彎,若把支點取在整體的質心位置時,由於來自四個車輪指向轉彎圓心方向的側向摩擦力對質心會產生順時鐘力矩

在汽車不翻覆而能穩定作等速率圓周運動的前提下,四輪的支撐配重(正向力)就會自動調整成外側輪(右輪)較大,也就是右側輪胎的下陷程度較大。這樣正向力對質心的力矩和就會是逆時鐘方向,才能夠跟摩擦力對質心所產生順時鐘方向的力矩抵銷。

同理,下圖中這輛在水平路面上行駛的汽車速度方向向右,如果這時踩煞車,在煞停前的過程中,由於來自四個車輪指向車後方的摩擦力對質心會產生順時鐘力矩

所以四輪的支撐配重就會自動調整成前輪變大,也就是前輪胎輪的下陷程度增大。這樣正向力對質心的力矩和才能夠跟摩擦力對質心所產生順時鐘方向的力矩抵銷。

這種現象從汽車急剎時可觀察到車頭會猛然下沈來佐證。因此新聞中這句「重心會往前輪移」說得不夠精確,畢竟只要手把握得穩,身體姿態沒有改變,那麼系統的質心位置是不會改變的。回來看這則新聞的主題,到底機車哪一個輪子的制動力較強?

當前後輪使用相同的制動系統(皆為鼓煞或碟煞),並且輪胎的條件相同(摩擦係數相同),基於「煞車時前輪的正向力較大」,由於最大靜摩擦力與正向力成正比,因此相對於後輪而言,前輪就能提供較大的「未打滑情況下的最大靜摩擦力」。(註:滾動摩擦屬於靜摩擦,滑動摩擦才是動摩擦,而且最大靜摩擦力大於動摩擦力)。也就是說,在平地直線車道行駛的機車,若要在最短距離內煞停而不滑動,除了雙手要同時煞車之外,右手所控制的前煞就須施以較大的力道。這一點台中市警局所宣稱的「前輪是主要的減速來源」是正解!至於標題「女騎士一問才發現大家都錯了」,這是因為駕駛習慣使然,畢竟控制油門是在右手,因此大家就會習慣於先用左手煞車,畢竟右手很難在鬆油門的同時來煞前輪。

至於汽車換輪胎時,由於前面的輪胎損耗較快,如果只想換這二顆輪胎,安全的方式是先將後輪換到前輪來,然後將新胎安置在後輪。這是因為新胎的摩擦係數較大,比較不容易打滑,當前輪遇到水膜而漂移打滑時,後輪還能具有抓地力以避免造成失控甩尾。這就相當於車往前衝而後面有繩子拉著,車頭只會擺盪而不會繞圈;反之,若後輪是舊輪,這時在前輪仍有抓地力的情況下,一旦後輪打滑,這就相當於車往前衝而前面有障礙物擋著,車頭一旦偏了,後輪就會滑到前面去而造成翻車意外(一旦車子轉90度就容易發生側翻)

最後來聊聊我的電動車,當雙手齊抓煞車拉桿時,如果右手用力較大,可以明顯感受到左手的煞車拉桿會被推開,反之亦然,這可能是 SBS(Synchronized Braking System)同步煞車系統所造成。此設計除了能同步分配前後輪的剎車力道之外,應該也能避免雙手因太用力而將雙輪全部鎖死的危險,因為至少還能保留一輪不打滑來提供較大的制動力。這種設計其實還蠻好玩的,此後我煞車就會右手→左手→右手…,輪流來玩前後輪的ABS點放煞車,而後方的煞車燈也會一閃一閃,藉此來警告後車以避免被親到^^