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戴森方程式|为啥说“前驱比后驱更稳”？背后的物理原理是什么？

关于汽车前驱、后驱之争由来已久 ， 这个本来只是不同的两种驱动布局方式 ， 但却引发了全方位的论战 ， 什么后驱更运动、更高级（当然也更贵） ， 前驱起步不如后驱快 ， 后驱才能漂移等等各类话题 ， 反正是你能想到的 ， 大家已经都吵过了 。今天呢 ， 我只选择其中一个话题 ， 有人说前驱比后驱更稳 ， 我们来聊一聊它背后的科学原理 ， 希望通过这篇文章 ， 能让你举一反三 ， 在眼花缭乱的前、后驱之争中保持一份自己的清醒看法 。稳的概念
首先要明确什么叫更“稳”！这个问题最初是来自这么一个场景 ， 就是雨雪天气 ， 路面由于积水或者结冰造成了附着系数（通俗的理解就是摩擦系数）很低 ， 这个时候 ， 大家普遍反映 ， 后驱车更容易发生甩尾等失控现象 ， 前驱车则会好不少 。因此 ， 这里的稳 ， 就是指在低附着系数的路面上 ， 车辆能够保持操控性的能力 。谁更不容易发生甩尾这类危险工况 ， 谁就更稳一些 。汽车的转向运动
由于不稳定的情况多半都伴随着汽车的转向运动而出现 ， 纯粹理想状态下的走直线 ， 一般都不会有什么问题 。因此下面我们主要关注转向过程 。汽车转向运动可以看作是两种运动的叠加：一种是把车辆看作一个质点 ， 这个质点绕着转向中心做圆周运动 ， 如果把转向中心想象为太阳 ， 汽车想象为地球 ， 那么这个运动可以叫做“公转”；另一个是车身在原地绕着自身的质心的旋转运动 ， 我们可以类比为“自转” 。
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【戴森方程式|为啥说“前驱比后驱更稳”？背后的物理原理是什么？】一辆车做正常的定速定圆回转运动时 ， 那它绕着圆心所做的“公转”的角度 ， 时刻都与它的“自转”角度是相等的 ， 用术语说就是 ， 公转角速度和自转角速度相等！这样才能保证车辆行驶方向的右侧始终指向着转向中心！稳定的转向运动
接下来是受力分析 ， 我们都知道圆周运动是需要向心力的 ， 我们扔链球的时候 ， 铁链提供了圆周运动的向心力 。
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向心力的场景
汽车的转弯也是一样的道理 ， 只是提供向心力的是地面给轮胎的摩擦力 ， 由于这个力基本上是垂直于车辆纵轴的 ， 因此我们把它叫做侧向力！侧向力是由轮胎特有的侧偏现象产生的 ， 具体牵扯到轮胎的动力学特性 ， 咱们以后有机会再聊 ， 这里就不展开了 。四个轮胎都会侧偏 ， 也就都会产生侧向力 ， 它们共同提供了车辆圆周运动的向心力！
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“公转”时的受力平衡图：四个轮胎侧向力共同提供圆周运动的向心力 ， 与离心力保持平衡
但我们刚才说了 ， 在转向运动中 ， 车辆还会绕着自身的质心“自转” ， 自转为什么会产生呢？还是因为侧向力 ， 因为力会产生力矩 ， 力矩的作用就是让物体旋转 ， 那么作用在前后轮的侧向力当然也会产生使车身旋转的力矩 ， 只不过在稳定转向的状态下 ， 这个合力矩为0 ， 也就是说这时车辆自转的角速度是恒定的 ， 既不会变快也不会变慢！
就像下面这张图一样 ， 以质心为自转中心的话 ， 作用在前轮（轴）上的侧向力所产生的力矩会让车辆顺时针自转 ， 而后轮（轴）上的力矩会驱使车辆逆时针旋转 ， 两种作用在车辆稳态转向的过程中达到平衡 ， 因此车辆就会维持一个恒定的自转角速度（术语叫做横摆角速度） 。
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“自转”的力矩平衡图：前轴和后轴上的力产生方向想法的一对力矩 ， 在稳态转向中二者达到平衡！
前面说的都是正常情况 ， 现在我们来看不正常的情况 ， 假设车辆行驶在湿滑或者冰雪路面上 ， 如果某一组驱动轮出现打滑 ， 那么会对车辆产生什么影响呢？咱们挨个分析一下：后驱为什么更容易甩尾
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比如你正在结冰的路面上驾驶一辆后驱车转弯行驶 ， 然后你想快一点 ， 就踩油门了 ， 那么后轮就会转的更快 ， 正常路面上的话 ， 轮胎就会给地面一个向后的力 ， 然后地面给一个相同的反作用力 ， 推动车轮更快的旋转 ， 但现在可不是正常路面哦 ， 现在的路面非常滑 ， 轮子一用力 ， 没推动地面 ， 反而打滑了！这就有意思了 ， 轮胎打滑 ， 意味着和地面之间的滚动摩擦已经没有了 ， 取而代之的是滑动摩擦 ， 那么传统意义上的抓地力也就没有了 ， 这会带来两个变化：
滑动摩擦系数是明显小于滚动摩擦时候的附着系数的 ， 因此后轮的驱动力较之不打滑时显著降低了
一旦打滑 ， 轮胎的转动就与地面没关系了 ， 地面作用在轮胎上的侧向力与之前相比减小很多（甚至消失）
前一个还好说 ， 不就是地面驱动力小一点吗 ， 那加速慢点我忍了 ， 但是后一个带来的问题可就有点麻烦了 。我们之前不是刚说了稳态转向过程中 ， 前后轴的侧向力产生的力矩正好平衡吗？但是现在可好 ， 后轮因为打滑 ， 侧向力直接消失了！这会造成什么结果呢？前轴上的力矩就没有与之平衡的力矩了 ， 因此它就会驱使车辆顺时针旋转 ， 别忘了本来车辆在转弯过程中就是在顺时针匀速旋转了啊 ， 这么一搞 ， 这个自转的角速度会迅速增加 ， 直观的感受就是 ， 车头突然指向了弯道的内侧 ， 车屁股往外甩了出去！
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前驱为什么稳一些呢
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同样的分析方法 ， 再来一遍而已 。如果前轮突然失去了抓地力 ， 发生了打滑空转 ， 前轴的侧向力可以认为消失了 ， 那么就只剩下了后轮提供的侧向力 ， 但与前面不同的是 ， 这个力所产生的力矩是与原本的自转方向相反的 ， 它是在阻碍这个自转！也就是说这个力矩会让原本的自转减速！那车子自然也就比较难出现甩尾的情况嘛 。
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拓展一下
其实我们上面所说的这两种极限情况 ， 如果不这么极端 ， 在前后轮都没有发生失去抓地力的滑转的情况时 ， 那也就是咱们常听到的后驱车甩尾 ， 前驱车推头这两种倾向 。咱们所分析的情况 ， 也就是甩尾和推头这两种倾向 ， 在超过路面附着极限的时候 ， 导致的不同后果而已啦！
这个原理也适用于咱们在驾驶大马力后驱车的时候 ， 只要狠踩油门 ， 方向盘转动角度稍微大一些 ， 车子尾巴可能就会甩出去这种情况！因为对大马力车来说 ， 突破柏油路的附着极限就像我们普通买菜车突破结冰路面极限一样的容易 。什么 ， 你没钱买跑车？废话 ， 好像我有钱买似的！没吃过猪肉还没吃过假猪肉嘛？你可以去游戏里面体验啊！
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大马力后驱车的漂移就是很好的例子 ， 只是故意让后轮失去抓地力而已考考你
我为什么只分析了后驱车后轮打滑和前驱车前轮打滑呢？后驱车前轮不会打滑嘛？
我为什么只说了加速 ， 而没有说制动减速的问题呢？
其中的原因 ， 可以引出我下一期节目的议题 ， 汽车的制动稳定性问题！我是戴森 ， 一个热爱分享汽车与科学主题的科普创作者 。


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