來源：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

然而小編作為一個剛拿到駕照的新司機，以為自己是這樣開車的：

實際上是這樣開車的：

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，汽車是怎樣動起來的？

簡單來說，汽車運動是發(fā)動機將其它形式的能量（如熱能、電能）轉(zhuǎn)換為機械能來為汽車提供動能的。我們先來帶著一個問題來探討下發(fā)動機的前世今生，下列選項中是哪位發(fā)明家最先發(fā)明了發(fā)動機？

A。盧森堡的艾蒂安·勒努瓦

B。法國的阿爾方斯·比奧·德羅夏

C。德國的尼古拉斯·奧古斯特·奧托

答案

A

出生于盧森堡的勒努瓦在1859年發(fā)明了二沖程燃氣發(fā)動機，二沖程發(fā)動機是指活塞每上下往復(fù)一次，燃燒一次。不過他發(fā)明的是燃氣發(fā)動機，其所用燃料不是汽油等液體，而是氣體。

二沖程發(fā)動機工作原理|來源：A.Schierwagen

1863年，法國人阿爾方斯·比奧·德羅夏發(fā)明了四沖程發(fā)動機，它也是燃氣發(fā)動機。在13年后，即1876年，德國的尼古拉斯·奧托以蒸汽機為基礎(chǔ)，根據(jù)德羅夏提出的原理發(fā)明了實用的單缸四沖程煤氣發(fā)動機，主要作為工廠的動力來源。1879年，德國的卡爾·本茨（沒錯，就是那個大名鼎鼎的奔馳公司創(chuàng)始人）試驗成功二沖程汽油發(fā)動機，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裝在了自行車上從而發(fā)明了摩托車…

發(fā)動機在被發(fā)明后的一兩百年里，進行了很多次的改進，如今汽車的發(fā)動機主要是四沖程發(fā)動機。發(fā)動機內(nèi)有氣缸和活塞，活塞與連桿相接，連桿連接著活塞和曲軸。活塞在汽缸中進行上下往復(fù)運動，帶動連桿，從而使曲軸轉(zhuǎn)動，這就是汽車運動的基本工作原理。

汽車動力轉(zhuǎn)動系|圖源：《汽車是怎樣跑起來的》

活塞的往復(fù)運動包括進氣、壓縮、膨脹和排氣四個沖程，這也是四沖程的來源。其原理如圖所示，首先是進氣，空氣與汽油混合后的混合氣體被吸入汽缸，活塞向下運動；接著是壓縮，降至下止點的活塞逐漸上升，壓縮汽缸中的混合氣體；然后是膨脹，活塞升至上止點時，壓縮后的混合氣體被點燃，開始迅速燃燒，隨后，氣體膨脹下壓活塞；最后是排氣，此時活塞再次上升，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)束后會返回到最初的進氣過程，再次重復(fù)壓縮、膨脹、排氣和進氣。

四沖程發(fā)動機工作原理

幾種常見的發(fā)動機工作示意圖：

直列式發(fā)動機——L4發(fā)動機，汽缸肩并肩地排成一排

水平對置式發(fā)動機——汽缸排列在發(fā)動機相對的兩個平面上

V型發(fā)動機——V6發(fā)動機，汽缸排列在成一定角度的兩個平面上

發(fā)動機做功帶動曲軸轉(zhuǎn)動為汽車的運動提供了驅(qū)動力——扭矩，扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動的一種特殊的力矩。在物理學(xué)里，作用力促使物體繞著轉(zhuǎn)動軸或支點轉(zhuǎn)動的趨向，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)運動。力矩等于徑向矢量r與作用力F的外積：

簡略地說，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)動扳手，這動作會產(chǎn)生力矩來轉(zhuǎn)動螺栓或螺帽。

力矩與作用力的關(guān)系|來源：wiki

發(fā)動機的扭矩就是指發(fā)動機從曲軸端輸出的力矩，它反映了汽車在一定范圍內(nèi)的負載能力。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)動機工作產(chǎn)生。

對汽車運動做一個簡要的力學(xué)分析，假設(shè)這是一輛后輪驅(qū)動車，對于后輪C，曲軸提供扭矩帶動輪胎轉(zhuǎn)動，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)化為汽車前進的動力。如果沒有摩擦生成的阻力，輪胎就無法推動汽車前進。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。在汽車正常啟動和行駛的情況下，這種摩擦可以理解為靜摩擦力，因為在輪胎與地面接觸的點A處沒有發(fā)生相對滑動。假設(shè)圓心C點處速度為：

則根據(jù)無滑滾動的條件，A點速度為：

再將上式對時間求導(dǎo)數(shù)得：

以C為基點，可求出輪胎上任意一點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)動機轉(zhuǎn)速表

當(dāng)然，在汽車上扭矩與摩擦力和驅(qū)動力的關(guān)系遠沒那么簡單，通過多個齒輪的耦合，最終汽車才可以動起來。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，手動擋模式換擋時，換的就是齒輪的大小比率。如下圖所示，1檔時雖然增大了力，但是根據(jù)，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速是發(fā)動機轉(zhuǎn)速的1/4，發(fā)動機轉(zhuǎn)速有限，因此行進的速度也受限，最多是20~30km/h，想要提高速度便需要通過換高擋來降低齒比提高驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速。

1檔~4檔使用的齒輪組一覽|圖源：《汽車是怎樣跑起來的》

第二次則由主減速比決定，在傳動系中起降低轉(zhuǎn)速，增大轉(zhuǎn)矩作用的主要部件是主減速器。相同的發(fā)動機，如選擇更大的主減速比，可獲得更大的最大扭力，加速時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)，并且算上一些機械損耗。扭矩=引擎輸出扭矩×變速箱齒比×主減速比×機械效率。發(fā)動機的功率=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，因此簡單來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（即速度）有關(guān)。即使是排氣量小、扭矩小的發(fā)動機，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就是輪胎，因此輪胎的性能以及地面的狀態(tài)對汽車的行駛來說十分重要，安全行駛需要輪胎與地面保持無滑滾動的狀態(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)動力和加速度也受到了限制。當(dāng)輪胎的轉(zhuǎn)動加速度時，輪胎與地面會發(fā)生滑動摩擦，比如在結(jié)了冰的路面、下過雨的路面都容易打滑，甚至在起步時油門轟得過快，也會發(fā)生輪胎部分空轉(zhuǎn)。我們在行駛過程中一定要隨時留意輪胎狀態(tài)和路面情況，謹(jǐn)慎駕駛。

圖源：beebee星球

不僅在行駛過程中，在制動停車時靜摩擦力也起著十分重要的作用，輪胎不轉(zhuǎn)動就無法制動，這可能有些違背直覺。如果輪胎在汽車行駛時停轉(zhuǎn)了就會在路上滑行，急剎車時就可能出現(xiàn)這種現(xiàn)象。因此工程師設(shè)計了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)測汽車的速度和輪胎的轉(zhuǎn)速關(guān)系從而調(diào)整制動的強度，這樣一來，即使我們在緊急情況踩緊剎車，輪胎也不會鎖住抱死。

剎車防抱死系統(tǒng)

在不得不出現(xiàn)滑動摩擦過彎的情況下，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：開車時無論遇到什么情況，都請淡定地握住方向盤，用我們所學(xué)的理論知識保證安全。

圖源：beebee星球

看完這些，還在考駕照的你是不是更有底氣了？

來源：中科院物理所

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