1.2 使汽车发动的物理原理

为了实现这五大要素,一台汽车需要由大约2万个零件组成。搭载着复杂的装置,通过各装置间的密切协作,汽车才能行驶、转向和停车。在详细讲解各个装置之前,我想先谈一谈我常常思考的“汽车究竟是什么”这一问题。

汽车是与物理密切相关的交通工具。说到这儿,大家可能会排斥道:“讲什么物理呀?我又不是理科生。”先别急。虽说汽车行驶遵循的是物理原理,但我会以日常生活中谁都会经历的事情为例来解释。我讲的这些连孩子们都懂,所以不要搞得像是在学校学习课本一样。

首先,我常常觉得“汽车因热而动、因热而停”是一件很有意思的事情。转动汽车钥匙,首先会启动发动机。这里我先简单介绍一下发动机的结构(图1.2)。

发动机的结构

图1.2 发动机的结构
※由气缸和活塞组成,燃烧汽油和空气混合而成的混合气体,利用混合气体的膨胀产生旋转力。

发动机中有气缸活塞,汽油在气缸中的燃烧室内进行燃烧。由汽油和空气混合而成的混合气体被送入燃烧室内,燃烧发热后膨胀。

气体(混合气体)膨胀下压活塞,从而带动活塞下的轴转动。发动机输出的旋转力传递到轮胎,使轮胎转动。这样一来,汽车便“因热而动”了。

那么停车时又是怎样的呢?是用制动器使轮胎停止转动的。制动时,制动垫夹住与轮胎一起转动的制动盘。接着,盘和垫之间就会产生摩擦,摩擦产生热量(图1.3)。

制动器将摩擦热释放到空气中,汽车停止行驶

图1.3 制动器将摩擦热释放到空气中,汽车停止行驶
※踩下制动踏板,附着在制动卡钳里侧的制动垫夹住与轮胎一起转动的制动盘。两者摩擦产生热量,进而被释放到空气中。

这与天冷的时候摩擦双手就会暖和是一样的道理,因为双手摩擦会产生热量。制动盘与制动垫相互摩擦,生成的热量被释放到空气中。

这样一来,通过将旋转轮胎转化成的热量释放到空气中,使汽车减速直至停止。不只是汽车,自行车等的制动原理也是一样,即“因热而停”。

汽车的确是“因热而动、因热而停”的交通工具,是通过反复进行热交换来实现行驶和停车的。电动汽车等不使用发动机的汽车不是因热而动,但与发动机汽车一样,是“因热而停”。

具备行驶、转向、停车这三大要素的汽车,其轮胎也与“热”有着密切的联系。轮胎是汽车与路面的唯一接触点,是解释“热”对汽车的重要性的关键所在。

轮胎由黑色橡胶制成。这种橡胶受热时会产生黏性,冷却时会变硬。受热时会变软,更容易紧贴地面,即处于所谓的“抓地力强”的状态。相反,冷却时变硬,不容易紧贴地面,抓地力就弱。汽车行驶时轮胎与地面接触产生弹性变形,橡胶因摩擦而生热,从而使得轮胎的抓地力变强。在高速公路上行驶时,你不妨中途在服务区停车,亲手摸一下轮胎的触地面,会感觉有点儿烫。

比赛用胎是轮胎橡胶受热影响的极端例子。当轮胎触地面的橡胶温度达到大约80度时抓地力(黏着力)最强。在汽车行驶过程中,轮胎与地面频繁接触,橡胶温度极速升高,抓地力也不断增强。相反,由于在升温的过程中前轮胎抓地力是很弱的,便催生出了在赛前使用类似电热毯等布罩包裹轮胎以提高其温度的策略。

另外,冬天使用的无钉防滑轮胎采用了一种特殊的橡胶,即使在冰上也能保持柔软性。轮胎与地面接触时,柔软性好的橡胶易产生弹性变形,从而更容易摩擦生热,增强轮胎的抓地力。用手指按一下无钉防滑轮胎触地面的橡胶就会发现它非常柔软,手指很容易陷进去并且留下指痕。相反,用手指按一下买车时配备的标准轮胎(业界称为夏季轮胎)的触地面,就很难留下指痕。

无钉防滑轮胎采用的是质地柔软的橡胶,在炎炎夏日的柏油路上会因过于柔软而绵软无力,很难行驶。之所以区别春夏秋时使用的标准轮胎(即夏季轮胎)和在冬天(特别是在下雪和结冰时)使用的无钉防滑轮胎,原因就在于此。

总之,只有充分利用轮胎所用橡胶的特性和热量,汽车才能正常行驶。

接下来,我将讲述汽车是如何充分利用“作用力与反作用力”这一物理原理的。学文科的人或许又会抱怨啦:“又来了!”就请再稍稍忍耐一下吧。

与之前讲过的“热”一样,作用力与反作用力也是日常生活中我们能够真切感受到的物理原理。“热”和 “作用力与反作用力”都是汽车利用到的重要物理原理。

驾驶员转动方向盘使汽车转向时,轮胎需要克服离心力。克服离心力的力量来自于轮胎触地时摩擦产生的抓地力。

这样一来,摩擦就发挥了阻力的作用。就如同即使托盘稍稍倾斜,玻璃杯也不会滑落一样,都是摩擦在发挥作用。在玻璃杯即将滑落时,摩擦会充当阻力的角色,防止其滑落。

思考一下托盘和玻璃杯的关系就会发现,抓地摩擦即为使车停止的阻力。轮胎却利用这一阻力加速、转向和前进。

还记得在学校学过的“作用力与反作用力”吗?老师肯定讲过:“你用手推墙,会感觉到墙也在推你。”用手推墙,墙虽不动,推的人却能感觉到一股墙好像也在推自己的反弹力(图1.4)。这就是“作用力与反作用力”。

作用力与反作用力
图1.4 作用力与反作用力

人们把这种反弹力称为阻力。即使对方不是墙而是人,也能感到“对方也在推自己”或者说“受到反弹力”。通过阻力或者反弹力,人们被推向用力方向的相反方向。同样,这一现象也会发生在轮胎与地面之间。轮胎与地面之间产生的摩擦变为阻力,抵抗轮胎的旋转,从而转化为汽车前进的动力。

如果没有摩擦生成的阻力,轮胎就无法推动汽车前进。摩擦产生的抓地力越大,阻力越大,汽车就能更快地行驶和转向。

路面有雪或结冰时轮胎容易打滑,不易行驶,这是因为水会减小轮胎与地面之间的摩擦(产生反作用的阻力)。人在用手拿物品时,如果手上有水或者油,就容易打滑,很难拿住物品。相反,如果手和物品之间没有水和油,摩擦就会变大,也不会打滑,就能很牢固地拿住物品。

由于摩擦能够防滑,因此在干燥的柏油路上不易打滑。因为路面阻力大,所以汽车容易加速。

为了实现行驶、转向、停车这三大要素,汽车很好地利用了“作用力与反作用力”以及之前所讲的“热”等基本物理原理。之所以在本章开头说“汽车是与物理密切相关的交通工具”,就是因为汽车遵循了上述基本原理。

在提高安全性方面,汽车同样充分利用了物理原理。

之前所讲的轮胎与路面间的摩擦,实际上是有限度的(图1.5),表示这一限度的图形叫做摩擦圆。汽车处于摩擦极限以下,即以摩擦圆内侧的速度行驶是安全的。但如果加速至超过摩擦极限,转向时汽车就会飞离路面。之所以雨天因打滑引起的交通事故多发,就是因为汽车超过了摩擦极限。尽管速度很慢,但水减小了轮胎与路面间的摩擦。

轮胎的摩擦圆

图1.5 轮胎的摩擦圆
※摩擦圆表示轮胎的摩擦限度。如果轮胎受到的力超过摩擦极限,汽车就无法正常行驶。摩擦圆的大小取决于路面状况。

回想一下我们之前讲过的托盘和玻璃杯的例子。即使托盘稍稍倾斜,玻璃杯也不会滑落。但是如果倾斜幅度较大,就很容易滑落。托盘倾斜幅度的大小,就类似于汽车的超速程度。那么,如果在托盘上洒些水会出现什么情况呢?只要托盘稍稍倾斜,玻璃杯就会滑落。这是因为托盘和玻璃杯之间有水,防滑的摩擦就会减小,即使托盘稍稍倾斜,玻璃杯也会滑落。总之,充当阻力角色的摩擦极限会依实际情况而变。

最近,汽车都配备了驾驶辅助系统。在面临危险等紧急时刻时,它可以运用电子控制系统进行自动调节,以防汽车超出摩擦极限。看似平坦的柏油路,其实表面上或有起伏,或有检修孔1,或有白线。为了解其影响,行驶过程中传感器会检测时时变化的轮胎与路面摩擦的关系。并且,当汽车即将超过轮胎与路面间的摩擦极限时,驾驶辅助系统会通过控制加速器或启动制动器自动减速,保证汽车紧贴路面。

1 锅炉、下水道供人出入检修用的出入口。——译者注

即便如此,轮胎产生的力也无法超出原有的抓地力。驾驶辅助系统不是魔法,只是遵循并最大限度地利用物理原理的一种手段。

发生撞击事故时的安全措施也利用了物理原理。汽车通过破坏车体(使之变形)来缓解冲击力,反向利用了“作用力与反作用力”,即受到撞击时,为使反作用力不伤及人身安全,受到撞击变形的车身吸收了部分冲击力,以此缓冲来自外界的强大的力量。

安全气囊也是同样。当乘员的上半身撞到装满空气(实际上是氮气)的气球状的安全气囊时,气球就会变形。通过其变形减小反作用力,从而将受伤几率控制在最小范围内。这也是应用了“作用力与反作用力”。

如前所述,汽车的制造充分利用了物理原理。利用产生“热”的力以及连孩子们都能感受到的“作用力与反作用力”等简单的物理原理,汽车才能行驶、转向和停车。掌控各个动作的装置,分别是发动机和动力传动系(行驶),方向盘(转向)和制动器(停车)。

有助于实现“舒适性”的悬架、保证安全性的电子控制系统以及吸收撞击力的车身,都是在利用物理原理发挥其作用。汽车制造技术,是充分利用物理原理的结果。

因此,作为一种交通工具,为满足行驶、转向、停车、舒适性和安全性这五大要素,汽车充分利用了各种物理原理。虽然汽车生产商们想方设法开发各种最新技术,但其作用的发挥,都离不开上述物理原理。

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