“刹 车”原理面面观
            陈 怡
            合肥市五十中物理教研室，安徽省合肥市230061

            （摘抄：胡欣荣）

            现代化的生活离不开交通工具，可我们注意观察的话，就会发现不同的交通工具有着不同的刹车程序。不论哪种交通工具，都离不开运用物理知识控制车速、刹车、停车以满足人们的需要。下面我们来简单分析一下常见交通工具的刹车原理。
            l 自行车的刹车
            自行车的刹车系统大致可分为轮刹和轴刹两种。轮刹主要是通过橡胶块给车轮边缘增加摩擦力，使车轮减速，达到刹车的目的。轴刹与轮刹的刹车原理类似，是给轮轴一个阻碍力，达到减速的目的。不论哪种刹车方式，都是采用增大摩擦，减小速度的物理原理。另外，刹车把手是一个简单的杠杆系统，运用很小的力就可以通过长力臂传递给刹车片很大的压力。
            从技巧上说，会骑自行车的人都知道，在车速较快的时候下坡，不宜单独使用前刹或先使用前刹。因为前刹抱死后，后轮会抬高重心，造成以前轮着地点为支点整车向前空翻的效果。其物理原理是：人与车的重心在支点上(右)方，由于向前惯性的缘故，车还要运动，就只能由平动转化为转动了。那么后轮单独刹车的情形又如何呢?如果后轮刹死了，车子的惯性一样向前，但此时前轮对地面的压力会增大，相对减少后轮的压力，所以翻车的机会较少。
            2 火车的刹车
            19世纪初，以蒸汽为动力的火车出现了。在1829年举行的一次“火车竞赛”中，斯蒂芬森驾驶着满载货物的“火箭”号机车，以时速56公里创造了陆地{dy}个车辆奔跑速度。
            当时的火车刹车装置十分原始，最初仅仅装在车头上，xx凭司机的体力扳动闸阀来刹车，很难使沉重的列车迅速停下来。后来改进为每节车厢上都安装一个单独的机械制动闸，配备一个专门的制动员，遇有情况，由司机发出信号，各制动员再狠命扳动闸把。这样虽然稍好一些，但仍然不能迅速地刹住列车(因为人力有限)。因此，发明一种灵敏有效的火车刹车装置，已成了铁路系统一项亟待解决的大问题。
            当时美国爱动脑筋的年轻人——
            威斯汀豪斯首先想到了蒸汽。既然火车是蒸汽推动的，为什么不能用蒸汽来制动呢?他设计了一套装置，用管路把锅炉中的蒸汽和各个车厢连接起来，试图用蒸汽来推动汽缸活塞，从而压紧闸阀达到刹车的目的。但由于高压蒸汽在长长的管路中迅速冷却，丧失了压力，实验未能取得预想的效果。后来他联想到了压缩空气，既然压缩空气可以驱动凿岩机，开凿坚硬的岩石，或许也能够驱动火车制动闸。基于这个想法，威斯汀豪斯终于制成了新型的空气闸。其工作原理并不复杂，只要增加一台由机车带动的空气压缩机，将压缩空气贮存在机车的总气缸内，然后由均衡气缸均压，一般为600kpa，通过管道将压缩空气送往各个车厢的制动气缸就行了。刹车时，只要一打开阀门，压缩空气就会推动各车厢的制动气缸活塞，制动气缸里的活塞是和制动闸阀连在一起的，所以闸阀就紧紧地抱住年刹，使列车迅速停下来。直到今天，空气制功仍然是火车和大型汽车运行的安全保障。
            现在有些客车还有电控制动闸，每节车厢之间的制动信号靠电缆传输。在机车内，司机只要操作控制开关，各车厢的电控制动机构就会有所动作。
            如果车厢在没有机车带动的情况下，如在驼峰调车(车厢脱离了机车溜放)或者手推调车作业的时候，都会配备制动人员，他们所要做的工作就是给车厢刹车。车厢在溜放的时候，制动员在停车位置处要根据情况摆放数量不等的铁鞋(车轮前的障碍物)来给车厢制动。当车停妥后，还要上好手闸，实行双防溜车。
            3 汽车的刹车
            汽车刹车系统按类型分，主要分为鼓式刹车和盘式刹车两种，一种靠动力刹车，一种靠夹力刹车。鼓式刹车利用制动蹄片挤压制动鼓产生制动力来刹车，多用于小型货车和低档汽车。由于其制动力相对较弱、湿水后容易引起瞬间刹车失灵、热衰减快等原因，已属于落后技术。目前的主流刹车系统是盘式刹车或称碟式刹车。盘式刹车系统又分为实心盘式刹车和通风盘式刹车，原理都一样，都是利用刹车液压泵产生的压力，带动刹车卡钳挤压刹车盘产生制动力。动作起来就好像用钳子钳住旋转中的盘子，迫使它停下来一样。其主要特点是热衰减比较小、刹车灵敏，配合ABS系统能有效防止车轮抱死，刹车力量强劲。
            实心盘式刹车系统的刹车盘尺寸较小，且没有通风孔，刹车力没有通风盘式大，但实心盘式刹车系统制造成本低廉，多应用于中xx轿车。通风刹车的盘式设计成划线刹车盘或打孔刹车盘，目的是为了要在既定的刹车碟盘尺寸里，增加它与空气接触的表面积。刹车碟盘的表面积愈大，刹车碟盘的散热能力也就愈强，将动能转换成热能的效率也就愈高。通风刹车盘式多用于高级轿车和跑车、赛车等对刹车系统要求极高的车型。
            刹车的工作原理主要是来自摩擦，利用蹄片与刹车盘(鼓)及轮胎与地面的摩擦，将车辆行进的动能转换成摩擦后的热能，将车子停下来。一一套良好高效率的刹车系统必须能提供稳定、足够可控制的刹车力，并且具有良好的液压传递及散热能力，以确保驾驶人员从刹车踏板所施的力能充分有效的传递到总泵及各分泵，及避免高热所导致的液压失效及刹车系统衰退。
            其实任何液压系统背后的基本原理都很简单：作用在一点的力被不能压缩的液体传递到另一一点，利用帕斯卡液压定律，通过液体压强将力放大。这种液体通常是油(油压)，绝大多数制动系统也是在此中放大了制动力量。简单制动系统的模型是：当驾驶员踩下制动踏板时，在踏板处通过杠杆原理把制动力放大传输，再通过液压系统把制动力又放大。多次放大以后的制动力驱动活塞移动，活塞推动蹄片及刹车卡钳紧紧的夹住制动盘(碟)。由蹄片及刹车卡钳与制动盘(碟)之间产生的强大摩擦力，迫使汽车减速。
            制动性能是汽车主要性能之一，它关系到行车的安全性。评价一辆汽车的制动性能，最基本的指标就是制动加速度、制动距离、制动反应时间及方向稳定的可操控性。基于刹车安全要求，人们根据摩擦力原理及特点设计了ABS(AntilockBrakingSystem，自动防抱死刹车系统)刹车系统。
            根据试验证实，弹性轮胎与路面的摩擦有其特殊规律，轮胎与路面摩擦系数的{zd0}值，出现在车轮处于边滚边滑状态时。当刹车的制动力大过轮胎的摩擦力就会造成轮胎抱死，一旦发生轮胎抱死，那么轮胎与地面问的摩擦就会由“静摩擦”变成了“滑动摩擦”，不但摩擦力大幅降低，
            更会使车辆失去转向控制的能力。装有ABS系统的车辆刹车时，当车轮即将达到抱死临界点时自动减低制动压力，使车轮受车的惯性又重新加速转动，当车轮转动达到设定速度上限时，制动压力又增大使车轮减速至抱死临界点……
            。刹车系统可在一秒钟内作用3O至120次，相当于不停地刹车、放松的“点刹”动作，且踩放的频率越高越能将刹车制动力维持在越接近极限的边缘。也就是ABS刹车系统利用了车轮抱死前瞬问会产生“{zd0}静摩擦力”的原理，使刹车行程变短，此举又可避免紧急刹车时方向失控与车轮打滑。
            ABS刹车系统是在常规刹车基础上多加了一一个压力调节器。当制动压力未达到车轮抱死临界点时，ABS压力调节器不工作，刹车模式为常规刹车。当制动压力达到车轮趋于抱死临界点时，ABS压力调节器启动运行。常规刹车制动其特点是当踩下制动踏板后，制动器压力与制动主泵压力同步上升，车轮抱死后制动器压力仍然会随制动主泵压力增加而增高，直至达到制动主泵压力{zg}压。ABS刹车制动其特点是当车轮趋于抱死临界点时，制动分泵压力不随制动主泵压力增加而增高，压力只在抱死临界点附近变化。使制动压力处于保持压力、减低压力、增大压力的循环过程中。
            4 轮船的“刹车”
            自行车刹车、汽车和火车的刹车都是靠摩擦产生的，可是你知道轮船是怎么“刹车”的吗?如果你乘轮船，就会发现一个很有趣的现象：每当轮船要靠岸的时候，总是要把船头顶着流水，慢慢地向码头斜渡，然后再平稳地靠岸，水流越急，这现象越明显。
            这样看来，使轮船逆水靠近码头，就可以利用逆向水流对船身的阻力，而起到“刹车”的效果。