在日常驾驶过程中,我们经常会遇到各种弯道,而仔细观察这些道路弯道,会发现一个显著的特点:弯道的外侧路面往往高于内侧路面,形成了一种外高内低的特殊设计。这种设计并非随意为之,而是工程设计师基于物理学原理和行车安全需求所做出的精心设计。
首先,我们来理解一下弯道处外高内低设计的基本原理。当汽车行驶在弯道上时,由于惯性的作用,车辆会产生一种向外侧滑移的趋势,这就是我们通常所说的离心力。为了保证车辆在转弯过程中能够稳定行驶,需要有一个与离心力方向相反的力来平衡它,这个力就是向心力。向心力通常由轮胎与地面之间的摩擦力提供,但在一些急转弯或者高速转弯的情况下,仅仅依靠摩擦力是不足以提供足够的向心力的。
这时,公路弯道处外高内低的设计就发挥了重要作用。通过将外侧路面抬高,内侧路面降低,形成了一个倾斜的路面。当车辆行驶在这样的路面上时,重力和支持力的合力会指向弯道内侧,这个合力就能够充当一部分向心力,帮助车辆顺利转弯。这样,即使在急转弯或者高速转弯的情况下,车辆也能够保持稳定,减少了侧滑的风险,提高了行车安全性。
此外,弯道处外高内低的设计还能够减少轮胎与地面的摩擦损耗。在传统的平直路面上,车辆转弯时需要依靠轮胎与地面的摩擦力来提供向心力。而在弯道处外高内低的路面上,由于重力和支持力的合力提供了部分向心力,轮胎与地面的摩擦力就会相应减小,从而减少了轮胎的磨损和能量的消耗。
除了上述的物理学原理外,弯道处外高内低的设计还考虑到了驾驶员的驾驶体验。在急转弯时,如果路面是平直的,驾驶员需要更加集中精神来控制车辆的行驶方向,同时还需要不断调整车速来适应转弯的需求。而在弯道处外高内低的路面上,由于重力和支持力的合力提供了部分向心力,驾驶员可以更加轻松地控制车辆的行驶方向,减少了驾驶难度,提高了驾驶的舒适性和安全性。
在道路设计中,弯道处外高内低的设计被称为道路的超高。这种设计的超高坡度与行车速度和路面横向摩阻力紧密相关,因为横向摩阻力的存在对行驶车辆的稳定性和舒适性有不利影响。因此,在设定超高及计算超高率时,首要考虑的是如何最大程度减少横向摩阻力。
在决定行车速度时,最大超高值的确定主要取决于曲线半径、路面粗糙率以及当地气候条件。例如,美国针对冰雪地区的公路,通常建议最大超高率为10%,但上限不超过12%。而在潮湿多雨及季节性冰冻地区,过高的超高可能导致车辆向内侧滑移,因此推荐的最大超高率为8%。澳大利亚则指出,在超高较大的路段,货车若以低于设计速度行驶,会受到向心加速度的影响,若超高达10%,可能引发货物位移甚至翻车。
基于《公路横向力系数》专题研究,并参考国际经验,我国《公路工程技术标准》对各类公路的最大超高值做出了如下规定:高速公路和一级公路在正常情况下最大超高值为8%,但在主要通行中、小型客车的路段,最大超高值可提升至10%。对于二级、三级和四级公路,最大超高值统一限定为8%。在积雪冰冻地区,鉴于货车占比较高,最大超高值被设定为6%以确保行车安全。此外,对于城镇区域的公路,考虑到非机动车、行人以及排水等因素,最大超高值被特别调整为4%。
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