在洪水期间会看到车辆被水冲走,要移动一辆车要多少水?

时间:2023-11-19 03:49:01

灾难时不时会发生,有时洪水泛滥成灾。在洪水期间,你经常会看到车辆被水冲走。要移动一辆车要多少水?

在洪水期间会看到车辆被水冲走,要移动一辆车要多少水?

首先,车为什么会移动?如果汽车处于静止状态,它会从零转变到非零速度。这意味着必须有一个不为零的合外力让汽车移动了。这里有个特大的警示:你需要一个合外力将它移动,而不是保持它的移动状态。如果它处于移动状态,合外力是零也没问题。

假设有一辆车处于一定量的水的冲击之中。有5个显著的因素需要考虑。首先是重力。基本上,重力的数值为质量乘以重力场(9.8N/kg)。重力是非常简单明了的一个力。唯一改变重力的方式就是改变地球。让我们这样做出假设:即使洪水滔天,地球还是地球,不会有什么变化。

第二个要考虑的是地面对于车的支持力。这就是所谓的法向力,因为它是与地面垂直的。法向力的特性是它会尽可能地向车辆提供支持,而使车辆不至于从地面上陷落下去。对于汽车在平坦道路上的静止不动的典型状态,法向力将与重力在大小上相同方向相反,两者的合外力为零。

第三个是水。水呢?水也会对车施加力吗?比方说,有一些h深度的水,以v速度移动,水拍打车身就如同空气对车的行进构成阻力一样。事实上,我将使用已经使用过了的空气阻力模型来探讨这个问题。我们把该模型迁移过来使用,认为阻力是以下因素的乘积:

●水的密度(这是相当恒定的,大约1000kg/m3)

●水击打物体时的表面积大小(不是所有的车都必须是在水下才能移动)

●汽车的形状

●运动水流速度的平方

由此可见,水流的速度越快对车击打的力就越大。这似乎是显而易见的。然而,水越深则对于车身的推力也会增加,因为水越深也就意味着对车撞击的水也会越多。

第四个是摩擦力。我们知道仅仅水对车有推击力并不意味着车就会开始移动。为什么不移动?因为有摩擦力可以防止汽车滑动。轮胎和道路之间有摩擦力。摩擦力最基本的模型认为最大静摩擦力取决于两个因素:一是接触面的材料类型,在此例中是沥青或水泥与湿橡胶;另一个因素是接触面之间的压力,这个压力就是地面提供给汽车的支持力。请注意,最大静摩擦力不取决于轮胎和路面之间的接触面积的大小。我们仅仅是粗略地对摩擦力进行近似计算,当然,假如轮胎很大结果可能有一定差别,但此例中的我们考虑的只是一般使用的轮胎。还有另外一个很重要的力,即第五个因素:浮力。随着水位上升,水将给车一个向上的推力。这将造成什么结果?主要是降低地面对车的支持力。这个法向力越小,最大静摩擦力也会越小。但你如何计算浮力?最简单的方法就是看车排开的水的体积,浮力即等于被排开水的重力。要获得浮力汽车不必完全浸没到水中。如果你去过游泳池,就会意识到这一点。即使在泳池的浅水区,要举起一个部分身体没在水中的人也比在地面上要容易。

现在我们来做些运算。首先让我来挑一辆车。我有一个丰田锡耶纳厢式旅行车,方便起见,我就选这辆车好了。如果它只是静止地停在平路上,路面和轮胎之间的最大静摩擦力是多少?首先,我需要车的重量数据。这款车的所列出的数据显示车的质量约2000kg。那么轮胎呢?假设路面是湿的但没有被水淹没,那么轮胎和路面之间的摩擦系数值为0.4。这意味着这款车的最大静摩擦力将是近8000N。可见,如果你想在这样潮湿的路面上推动这辆车,你需要用很大的劲。

如果水位达0.5m深,对该车将可能产生一个很显著的浮力作用。如果要我做出猜想的话(我确实猜了),我会认为车的主要部分,位于水位之上漂浮的部分高出水面约0.3m。这意味着对于0.5m深的水,该车下部的0.2m是位于水面以下。当然,这都是建立在车不漏水的条件之下的(车当然会漏水),但即使是漏水,只要过程缓慢也不会有什么问题,不会对计算结果造成影响。如果车体长5m,宽2m,车体排开的水约2m3。由于水具有1000kg/m3的密度,2m3的水重量将达到2000kg,产生约20000N的浮力。此时此刻,要使汽车浮起来这个力已经足够了,所以我认为假如水要移动它也将是不费吹灰之力的。

那么水位再低一点呢?如果只有0.4m深?这时候浮力不足以抵消汽车的重力,就要靠水流的击打力了,水运行的速度要达到多大才能保证让汽车动起来?我所要做的就是将“水的抗力”设置到和“最大静摩擦力”大小相等即可。我先说说清楚,这两种力都取决于水的深度。我尚剩一个阻力因素没有明确。我选择使用的值为1.0,接近立方体的空气阻力系数。是的,我明白在水里阻力系数和在空气里的阻力系数两者有很大的不同。然而,这个不同并不影响我使用这个模型来粗略计算下这个力的大小。

现在,所有的值我都已经得出了,经过计算水的速度是6.2m/s,这个速度相当快。但如果将水位提高5cm呢?根据新的数值,我算得水速的最小值为3.6m/s。这个速度还是有点快,在这样的水流速度下,你很可能连站都站不起来。

这样的水速难道真的存在吗?当然存在。你见过这种戏剧化的一幕吗?大坝决堤了或是建在地表以上的池塘破开、水流出来的时候,水流就会达到很高的速度。由于平时在新闻里看到过或是YouTube趣味视频里看到过这种情形,我们也明白这种情况平时是会发生的。