汽車的前輪胎是否像陀螺儀那樣工作,以使汽車可以在無摩擦的表面上轉向?
汽車的前輪胎是否像陀螺儀那樣工作,以使汽車可以在無摩擦的表面上轉向?
否,汽車不能在無摩擦的表面上行駛。這與陀螺儀的動作無關,而與動量的守恒有很大關係:轉彎時,即使在保持速度的情況下,汽車也需要與運動成直角地加速,從而改變運動的總動量。動量的這種變化需要一個力,該力在正常道路上最終由輪胎和道路之間的摩擦力提供。在沒有摩擦的情況下,汽車輪胎會相對於其旋轉(即沿軸線)側滑,而不會影響汽車的慣性。
需要注意的是,由於陀螺效應,汽車確實可以任意改變其面對的方向。最簡單的方法是在汽車內部安裝一個帶有水平軸的大飛輪,其質量至少與汽車的質量相當。如果隨後嘗試在汽車內 內旋轉飛輪的軸,則由於飛輪中保留了大量角動量,因此將汽車繞飛輪旋轉。 (這也會在汽車上繞水平軸產生扭矩,但是可以通過表面上的法向力抵消該扭矩。)但是,即使您設法將汽車從其運動方向旋轉90°,它也會繼續
另外,如其他答案所述,如果汽車能夠以任何有意義的方式與空氣互動(通過空氣)進氣和排氣,或者通過將其凸起用作風帆,或者通過支撐實際風帆-那麼它的確會受到外力的影響,並且能夠改變其運動方向。同樣,如果汽車能夠甩開岩石,撞到其他汽車或使用火箭推進器,那麼它就能轉向。不過,我認為這不能直接回答問題的核心。
如果車輪旋轉得足夠快以使陀螺效應變得明顯,那麼在無摩擦表面(根本沒有表面的情況下)的唯一結果是,當您轉動車輪時,汽車的其餘部分會旋轉而不僅僅是前輪:)
您需要一些反作用力來改變軌跡,例如風帆,表面摩擦或推進器。
真正的汽車實際上是有可能的,但是您必須非常有耐心地轉向一點。
假設您用大前輪上的動力可產生陀螺效應。如果旋轉車輪,質心的行進方向不會直接改變,但其餘身體所指向的角度會改變。
現在,我們使用汽車的另一個屬性:通常,他們在前面進氣,而在後面排氣。這會產生一個大致指向轎廂前部的淨力。因此,您可以通過轉動車輪使汽車稍微轉彎,因此可以更改此力的方向,最終可以使汽車向左或向右移動。
由於沒有摩擦,因此不會影響任何可能作用在汽車上的力。
汽車上的風向可能會改變其軌跡,因為任何駕駛員在強風行駛時都會證明。轉動車輪可能會對力的合力方向產生輕微影響。
如果汽車的車頂彎曲,則可能充當機翼。將汽車放到兩個輪子上(例如,在道路上撞石頭)可以更改舉升方向,並且可以用與操縱飛機類似的方式來操縱汽車。
如果您打開車窗並扔東西(或開槍),那麼牛頓第三定律將使汽車向相反方向移動。
排氣管起噴氣火箭的作用。如果您安裝了軟管,則可以將軟管指向不同的方向並以這種方式操縱汽車。
如果您將帆掛在屋頂上,則可以通過電線控制車輪,像船一樣轉向。
摩擦力是唯一會導致汽車沿著不同的路徑行駛的力。在無摩擦的表面上,陀螺效應可能會稍微改變汽車的方向,但不會改變汽車的軌跡。換句話說,前車不再指向行駛方向,而是“打滑”。 (也就是說,如果您可以將無摩擦的側向運動稱為“打滑”。)
在完全無摩擦的地板上,在沒有其他外力的情況下,汽車的質心將永遠沿同一軌跡運動。因此不可能進行轉向。
但是,無論前輪是否在旋轉,前輪的轉動都會產生反扭矩,從而改變汽車的方向,儘管量很小。汽車和輪胎的方向變化將與汽車和輪胎在車輪轉向軸周圍的慣性矩成反比。
關於陀螺效應,因為車輪繞平行於地面的軸旋轉,並且車輪繞垂直於地面的軸旋轉,陀螺效應將圍繞垂直於這兩個軸的軸進行。該軸也將平行於地面。因此,假設由於車輪的小角動量而產生的陀螺效應很小,那麼唯一的影響就是汽車重量在其不同車輪上的重新分配。如果前輪旋轉得足夠快,那麼陀螺效應將產生足夠的扭矩,使汽車向一側傾倒。