來(lái)源：中科院物理所
《極速車王》片段
最近小編看了一部與造車和賽車有關(guān)的電影后熱血沸騰，不禁想問問大家：
《頭文字D》截圖
然而小編作為一個(gè)剛拿到駕照的新司機(jī)，以為自己是這樣開車的：
實(shí)際上是這樣開車的：
想必有不少小伙伴也像我一樣，曾掙扎于側(cè)方位停車和練車時(shí)必遇烈日炎炎的苦澀。不過你們有沒有好奇過，汽車是怎樣動(dòng)起來(lái)的？
簡(jiǎn)單來(lái)說，汽車運(yùn)動(dòng)是發(fā)動(dòng)機(jī)將其它形式的能量（如熱能、電能）轉(zhuǎn)換為機(jī)械能來(lái)為汽車提供動(dòng)能的。我們先來(lái)帶著一個(gè)問題來(lái)探討下發(fā)動(dòng)機(jī)的前世今生，下列選項(xiàng)中是哪位發(fā)明家最先發(fā)明了發(fā)動(dòng)機(jī)？
A。盧森堡的艾蒂安·勒努瓦
B。法國(guó)的阿爾方斯·比奧·德羅夏
C。德國(guó)的尼古拉斯·奧古斯特·奧托
答案
A
出生于盧森堡的勒努瓦在1859年發(fā)明了二沖程燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)是指活塞每上下往復(fù)一次，燃燒一次。不過他發(fā)明的是燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，其所用燃料不是汽油等液體，而是氣體。
二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理|來(lái)源：A.Schierwagen
1863年，法國(guó)人阿爾方斯·比奧·德羅夏發(fā)明了四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，它也是燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)。在13年后，即1876年，德國(guó)的尼古拉斯·奧托以蒸汽機(jī)為基礎(chǔ)，根據(jù)德羅夏提出的原理發(fā)明了實(shí)用的單缸四沖程煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)，主要作為工廠的動(dòng)力來(lái)源。1879年，德國(guó)的卡爾·本茨（沒錯(cuò)，就是那個(gè)大名鼎鼎的奔馳公司創(chuàng)始人）試驗(yàn)成功二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，并利用其制造出了最早的汽車——一輛三輪汽車。1885年，戴姆勒將四沖程汽油機(jī)裝在了自行車上從而發(fā)明了摩托車…
發(fā)動(dòng)機(jī)在被發(fā)明后的一兩百年里，進(jìn)行了很多次的改進(jìn)，如今汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)主要是四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)有氣缸和活塞，活塞與連桿相接，連桿連接著活塞和曲軸。活塞在汽缸中進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿，從而使曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是汽車運(yùn)動(dòng)的基本工作原理。
汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)系|圖源：《汽車是怎樣跑起來(lái)的》
活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)包括進(jìn)氣、壓縮、膨脹和排氣四個(gè)沖程，這也是四沖程的來(lái)源。其原理如圖所示，首先是進(jìn)氣，空氣與汽油混合后的混合氣體被吸入汽缸，活塞向下運(yùn)動(dòng)；接著是壓縮，降至下止點(diǎn)的活塞逐漸上升，壓縮汽缸中的混合氣體；然后是膨脹，活塞升至上止點(diǎn)時(shí)，壓縮后的混合氣體被點(diǎn)燃，開始迅速燃燒，隨后，氣體膨脹下壓活塞；最后是排氣，此時(shí)活塞再次上升，并隨其上升向外排出混合氣體燃燒后殘留的煤煙。排氣結(jié)束后會(huì)返回到最初的進(jìn)氣過程，再次重復(fù)壓縮、膨脹、排氣和進(jìn)氣。
四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理
幾種常見的發(fā)動(dòng)機(jī)工作示意圖：
直列式發(fā)動(dòng)機(jī)——L4發(fā)動(dòng)機(jī)，汽缸肩并肩地排成一排
水平對(duì)置式發(fā)動(dòng)機(jī)——汽缸排列在發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)的兩個(gè)平面上
V型發(fā)動(dòng)機(jī)——V6發(fā)動(dòng)機(jī)，汽缸排列在成一定角度的兩個(gè)平面上
發(fā)動(dòng)機(jī)做功帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)為汽車的運(yùn)動(dòng)提供了驅(qū)動(dòng)力——扭矩，扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的一種特殊的力矩。在物理學(xué)里，作用力促使物體繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸或支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨向，稱為力矩也就是扭轉(zhuǎn)的力，力矩能夠使物體改變其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。力矩等于徑向矢量r與作用力F的外積：
簡(jiǎn)略地說，力矩是一種施加于好像螺栓或飛輪一類的物體的扭轉(zhuǎn)力。例如，用扳手的開口箝緊螺栓或螺帽，然后轉(zhuǎn)動(dòng)扳手，這動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生力矩來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)螺栓或螺帽。
力矩與作用力的關(guān)系|來(lái)源：wiki
發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩就是指發(fā)動(dòng)機(jī)從曲軸端輸出的力矩，它反映了汽車在一定范圍內(nèi)的負(fù)載能力。外部的扭矩叫轉(zhuǎn)矩或者叫外力偶矩，由摩擦力等產(chǎn)生；內(nèi)部的叫內(nèi)力偶矩或者叫扭矩，由發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生。
對(duì)汽車運(yùn)動(dòng)做一個(gè)簡(jiǎn)要的力學(xué)分析，假設(shè)這是一輛后輪驅(qū)動(dòng)車，對(duì)于后輪C，曲軸提供扭矩帶動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)，輪胎與地面產(chǎn)生的摩擦力——抓地力抵抗輪胎的旋轉(zhuǎn)，從而轉(zhuǎn)化為汽車前進(jìn)的動(dòng)力。如果沒有摩擦生成的阻力，輪胎就無(wú)法推動(dòng)汽車前進(jìn)。摩擦產(chǎn)生的抓地力越大，阻力越大，汽車就能更快地行駛和轉(zhuǎn)向。在汽車正常啟動(dòng)和行駛的情況下，這種摩擦可以理解為靜摩擦力，因?yàn)樵谳喬ヅc地面接觸的點(diǎn)A處沒有發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。假設(shè)圓心C點(diǎn)處速度為：
則根據(jù)無(wú)滑滾動(dòng)的條件，A點(diǎn)速度為：
再將上式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)得：
以C為基點(diǎn)，可求出輪胎上任意一點(diǎn)P的速度：
可以看出汽車的行駛速度與輪胎的轉(zhuǎn)速緊密相關(guān)。由于摩擦力提供牽引力，最后輸出到輪胎上的扭矩在數(shù)值上等于輪胎半徑R與摩擦力f的乘積。根據(jù)牛頓第二定律，在輪胎半徑R固定以及摩擦力小于最大靜摩擦力的情況下，扭矩越大，汽車的加速性越好，也就是所謂的“推背感”越好。
圖源：PCauto
發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表
當(dāng)然，在汽車上扭矩與摩擦力和驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系遠(yuǎn)沒那么簡(jiǎn)單，通過多個(gè)齒輪的耦合，最終汽車才可以動(dòng)起來(lái)。引擎輸出至輪胎為止共經(jīng)過兩次扭矩的放大，第一次由變速箱的檔位作用而產(chǎn)生，手動(dòng)擋模式換擋時(shí)，換的就是齒輪的大小比率。如下圖所示，1檔時(shí)雖然增大了力，但是根據(jù)，驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的1/4，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有限，因此行進(jìn)的速度也受限，最多是20~30km/h，想要提高速度便需要通過換高擋來(lái)降低齒比提高驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速。
1檔~4檔使用的齒輪組一覽|圖源：《汽車是怎樣跑起來(lái)的》
第二次則由主減速比決定，在傳動(dòng)系中起降低轉(zhuǎn)速，增大轉(zhuǎn)矩作用的主要部件是主減速器。相同的發(fā)動(dòng)機(jī)，如選擇更大的主減速比，可獲得更大的最大扭力，加速時(shí)可以獲得較好的加速性能，不過犧牲的是最高車速。
扭矩的總放大倍率就是變速箱齒比與主減速比的相乘倍數(shù)，并且算上一些機(jī)械損耗。扭矩=引擎輸出扭矩×變速箱齒比×主減速比×機(jī)械效率。發(fā)動(dòng)機(jī)的功率=牽引力×輪胎半徑×輪胎轉(zhuǎn)速；而扭矩=牽引力×輪胎半徑，故得出功率=扭矩×輪胎轉(zhuǎn)速。
總之，扭矩指的是力本身，而功率是指做功量。扭矩表示爆發(fā)力的大小，因此簡(jiǎn)單來(lái)說是由排氣量的大小決定的。功率表示做功量，它與汽車能夠行駛得多快多遠(yuǎn)（即速度）有關(guān)。即使是排氣量小、扭矩小的發(fā)動(dòng)機(jī)，只要能提高轉(zhuǎn)速，也能夠增大功率。
燒胎現(xiàn)象|圖源：pixabay
汽車與路面的唯一接觸點(diǎn)就是輪胎，因此輪胎的性能以及地面的狀態(tài)對(duì)汽車的行駛來(lái)說十分重要，安全行駛需要輪胎與地面保持無(wú)滑滾動(dòng)的狀態(tài)，這種狀態(tài)只有靜摩擦力存在。靜摩擦力有一定的限度，驅(qū)動(dòng)力和加速度也受到了限制。當(dāng)輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度時(shí)，輪胎與地面會(huì)發(fā)生滑動(dòng)摩擦，比如在結(jié)了冰的路面、下過雨的路面都容易打滑，甚至在起步時(shí)油門轟得過快，也會(huì)發(fā)生輪胎部分空轉(zhuǎn)。我們?cè)谛旭傔^程中一定要隨時(shí)留意輪胎狀態(tài)和路面情況，謹(jǐn)慎駕駛。
圖源：beebee星球
不僅在行駛過程中，在制動(dòng)停車時(shí)靜摩擦力也起著十分重要的作用，輪胎不轉(zhuǎn)動(dòng)就無(wú)法制動(dòng)，這可能有些違背直覺。如果輪胎在汽車行駛時(shí)停轉(zhuǎn)了就會(huì)在路上滑行，急剎車時(shí)就可能出現(xiàn)這種現(xiàn)象。因此工程師設(shè)計(jì)了Anti-lock Brake System（ABS）也就是防抱死系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用傳感器監(jiān)測(cè)汽車的速度和輪胎的轉(zhuǎn)速關(guān)系從而調(diào)整制動(dòng)的強(qiáng)度，這樣一來(lái)，即使我們?cè)诰o急情況踩緊剎車，輪胎也不會(huì)鎖住抱死。
剎車防抱死系統(tǒng)
在不得不出現(xiàn)滑動(dòng)摩擦過彎的情況下，可以參考一下斯堪的納維亞鐘擺的過彎技巧：
斯堪的納維亞鐘擺|圖源：beebee星球
溫馨提示：開車時(shí)無(wú)論遇到什么情況，都請(qǐng)淡定地握住方向盤，用我們所學(xué)的理論知識(shí)保證安全。
圖源：beebee星球
看完這些，還在考駕照的你是不是更有底氣了？
來(lái)源：中科院物理所
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