基于中学物理的高架桥和大货车侧翻问题的力学分析

摘   要：货车侧翻和高架桥侧翻是重大交通安全事故。从研究车辆静止状态时的侧翻条件入手，建立力矩作用下的翻转模型；进而采用惯性力和不引进惯性力两种方法来研究车辆在转向时因为内外侧轮胎受到的支持力不相等，从而导致的侧翻情况；根据物理模型分析超速、超载对侧翻的影响。最后定性分析高架桥桥面侧翻的现象。

关键词：社会生活；情境；高架桥；超载

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）1-0058-3

1    引  言

近年来国内发生了几起高架桥侧翻的交通事故，大货车侧翻的事故则更多。这些事故严重危及人民群众的生命财产安全，对道路交通造成的破坏较大，造成的社会影响恶劣。例如，2021年湖北沪渝高速花湖互通的一条匝道上，大约500米长的高架桥呈90度从桥墩上侧翻下来；2019年无锡312国道一处高架桥同样发生了桥梁侧翻，而且造成死伤5人；2021年12月，浙江杭州某路口发生了一起惨烈的交通事故，一辆大货车在避让小轿车时发生了侧翻事故，导致3人不幸被埋压。因此，研究高架桥和大货车侧翻的相关原因对于保障交通安全有着重要的意义。目前，国内的论文大多从工程力学的角度，借助高等数学工具研究得出结论。本文尝试尽量使用高中物理知识和初等数学来解释这一现象背后的物理缘由。

2    车辆的侧翻

2.1    静止时的侧翻

2.2    转向时的侧向倾斜

2.3    超载、超速的影响

我们知道增加车辆的载货质量，车辆的重心会随之增高，也就是m增加导致h增大。由（4）式可知，h变大会减小v0，相同车速的情况下，超载车辆更容易发生侧向倾斜。

由（2）式可知，m和h变大，会增加N1，也就是增加了外侧车轮对桥面的压力。

2.4    侧向倾斜后的侧翻

3    桥面侧翻

桥面发生侧翻，原理和车辆侧翻一样，都是力矩作用的效果。这里不再赘述，只作定性分析。

在湖北高架桥侧翻事故中，桥体采用单墩柱结构，如图5所示，桥体外侧到支撑点的距离较大，外侧车轮对桥面压力的力臂较大。而此次肇事车辆虽然办理了大件超载许可，但是违法在高架桥上行驶，属于违法超载运输。事故发生地在高速互通的匝道，车辆处于转向状态，更是增加了外侧车轮对桥面的压力。以上三个原因，导致了本次事故的发生。

如图5所示，桥面发生侧翻时，以独柱墩的右侧为支点，重力力矩为阻力矩，车辆对桥面的压力力矩为动力矩。从图5可以看出，当车辆靠右边行驶时，动力臂长度约为阻力臂的6倍，车辆处于转弯处，二者差值更大。因此，一辆近200吨的汽车产生的力矩作用，完全可以让上千百吨的桥面发生侧翻。

无锡高架桥侧翻事故，则是前后两辆超载车辆同时在桥右边车道行驶。经查阅事故报告，两车总质量超过320吨。采用等效替代思想，相当于一辆超级超载的320吨大货车压在桥体右侧边缘，再加上独柱墩造成的重力力臂大大缩小，桥面侧翻的悲剧就发生了。因此，在设计高架桥允许通行车辆的重量时，一定考虑一节高架桥桥面总重量和一辆货车重量的关系。如一节60米的高架桥，最大一边行驶车辆的总重量为200吨，设一辆大货车车长为15米，这样60米的高架桥最多会有3辆车同时在桥面上，一辆车的限重应该是60吨以内。

本文讨论了车辆静止时的侧翻、转弯发生的倾斜、倾斜后可能发生的侧翻和高架桥的侧翻等现象，通过建立动力学模型，立足于高中物理和初等数学解释了以上问题。

得出结论：大货车要尽量降低车辆重心高度，且不能超载；要想避免转弯时的侧翻，不能超过规定速度；超限车辆不能违规在高架桥上行驶。

参考文献：

［1］杨雨杰，邱信明.大货车转弯侧翻的影响因素分析［J］.力学与实践，2019，41（4）：393-397.

［2］张志勇，冯浩，衡威威，等.货车侧翻事故分析及影响因素研究［J］.交通节能与环保，2021，17（85）：55-60.

［3］张俊，张世艺，李军. 重型汽车侧翻因素分析［J］.汽车工业研究，2017（6）：44-47.

［4］程守洙，江之永.普通物理学［M］.北京：高等教育出版社，2018.

［5］张军.关于加速运动物体翻转问题的研究［J］.物理教师，1999，20（6）：29-30.

（栏目编辑    蒋小平）