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物理多狀态計算方法

汽車 更新时间:2025-02-24 07:16:48

開車走山路的時候經常會遇到龜速車,由于山路多彎,在山路上超車最怕在超車過程中遇到對面來車,危及生命。本人以前開車去北京郊區遊玩時常走山路,因此也多次在山路上超車。超車前我基本上都是根據直覺來判斷本路段能否順利超車。剛才又在頭條上看到有人彎道超車時被對面來車吓得大聲尖叫的視頻,很是感歎,看來是時候動用一點點最基本的物理學來分析一下,安全超車所需的最小視野與本車的百公裡加速時間之間的關系。

視野 D (單位:米):對面來車距離你多遠的時候才進入你的視野。比如在急彎附近,對面來車距離你10米遠才進入你的視野,則D=10米;在比較舒緩的彎道附近,對面來車距離你50米遠就進入你的視野,則D=50米。

百公裡加速時間 T (單位:秒):本車從靜止加速到 100公裡/小時(即 28米/秒)所需時間,從而可以算出本車的最大加速度 A=28/T 米/秒^2。比如我的比亞迪秦PRO EV 的百公裡加速時間大概是 T=9 秒,則我車的最大加速度約為 A=3 米/秒^2。

理論分析(學渣可以略過)

以下的分析中我們采用國際單位制,即時間的單位為秒,長度的單位為米,加速度的單位為 米/秒^2.

整個超車過程如下圖所示(假設本車長為 5,龜速車長度為L,視野為D)

物理多狀态計算方法(對彎道超車的理論分析)1

超車過程,以米為長度單位,以龜速車為參照物,即龜速車靜止,所有速度都相對龜速車來計算。

準備超車:本車跟龜速車并排(本車車頭超過龜速車車尾1米),以相同速度行駛。

當對面來車且不具備超車條件時:中等力量點刹車,趕緊回到龜速車後面,整個過程大概1秒鐘,撞不着對面來車。

具備超車條件時(即 L 足夠大):油/電門踩到底,快速完成超車。

下面讨論當百公裡加速時間 T 給定後,視野 D要多大才具備超車條件。為方便起見,以龜速車為參照物,即龜速車靜止,所有車的速度都相對龜速車來計算。

如上圖所示,超車開始時,本車車頭落後龜速車車頭D-1,對面來車距離龜速車車頭D-L 1。超車完成時,本車車頭超過龜速車車頭6米(預留1米的安全距離),對面來車距離龜速車車頭必須大于7米(同樣預留1米的安全距離)。因此,整個超車過程,本車相對龜速車行駛的距離為 L 5,同時對面來車相對龜速車行駛的距離不能超過D-L-6 (否則撞車)。

以龜速車為參照物,在超車過程中,本車從相對靜止開始,做勻加速運動,加速度為 A=28/T。根據公式 L 5=(1/2)A t^2=14 t^2/T,可得超車所需時間

物理多狀态計算方法(對彎道超車的理論分析)2

為保證安全,對面來車在超車時間 t 之内相對龜速車行駛的距離 Vt 不能超過D-L-6,其中V是對面來車相對龜速車的速度,它等于龜速車的絕對速度加上對面來車的絕對速度。根據不等式 Vt < D-L-6,可得安全超車所需要的最小視野為(單位:米):

物理多狀态計算方法(對彎道超車的理論分析)3

其中 V 是對向來車相對龜速車的速度(單位:米/秒),L是龜速車的長度(單位:米),T是本車的百公裡加速時間(單位:秒)。

如果把 V 的單位改成大家習慣使用的公裡/小時,則安全超車所需要的最小視野為(單位:米):

物理多狀态計算方法(對彎道超車的理論分析)4

典型的例子

小排量汽車的百公裡加速時間最長大概是 T=13秒,則安全超車所需要的視野如下圖:

物理多狀态計算方法(對彎道超車的理論分析)5

本車百公裡加速時間為T=13秒時,安全超車所需視野

比如,小轎車(長度L=5米)以40公裡/小時的龜速行駛,對面來車以60公裡/小時的速度行駛,則相對速度為100公裡/小時,于是安全超車所需要的視野 D>95 米;如果把小轎車換成大貨車(長度L=10米),其中參數不變,則安全超車所需要的視野 D>120 米。

我的比亞迪秦PRO EV 的百公裡加速時間大概是 T=9 秒,則安全超車所需要的視野如下圖:

物理多狀态計算方法(對彎道超車的理論分析)6

本車百公裡加速時間為T=9秒時,安全超車所需視野

如果百公裡加速時間 T=6 秒,則安全超車所需要的視野如下圖:

物理多狀态計算方法(對彎道超車的理論分析)7

本車百公裡加速時間為T=6秒時,安全超車所需視野

如果百公裡加速時間 T=4 秒,則安全超車所需要的視野如下圖:

物理多狀态計算方法(對彎道超車的理論分析)8

本車百公裡加速時間為T=4秒時,安全超車所需視野

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