《极速车王》片段

最近小编看了一部与造车和赛车有关的电影后热血沸腾，不禁想问问大家：

《头文字D》截图

然而小编作为一个刚拿到驾照的新司机，以为自己是这样开车的：

实际上是这样开车的：

想必有不少小伙伴也像我一样，曾挣扎于侧方位停车和练车时必遇烈日炎炎的苦涩。不过你们有没有好奇过，汽车是怎样动起来的？

简单来说，汽车运动是发动机将其它形式的能量（如热能、电能）转换为机械能来为汽车提供动能的。我们先来带着一个问题来探讨下发动机的前世今生，下列选项中是哪位发明家最先发明了发动机？

A. 卢森堡的艾蒂安·勒努瓦

B. 法国的阿尔方斯·比奥·德罗夏

C. 德国的尼古拉斯·奥古斯特·奥托

答案

点击下方空白处获得答案

A

出生于卢森堡的勒努瓦在1859年发明了二冲程燃气发动机，二冲程发动机是指活塞每上下往复一次，燃烧一次。不过他发明的是燃气发动机，其所用燃料不是汽油等液体，而是气体。

二冲程发动机工作原理 | 来源：A. Schierwagen

1863年，法国人阿尔方斯·比奥·德罗夏发明了四冲程发动机，它也是燃气发动机。在13年后，即1876年，德国的尼古拉斯·奥托以蒸汽机为基础，根据德罗夏提出的原理发明了实用的单缸四冲程煤气发动机，主要作为工厂的动力来源。1879年，德国的卡尔·本茨（没错，就是那个大名鼎鼎的奔驰公司创始人）试验成功二冲程汽油发动机，并利用其制造出了最早的汽车——一辆三轮汽车。1885年，戴姆勒将四冲程汽油机装在了自行车上从而发明了摩托车…

发动机在被发明后的一两百年里，进行了很多次的改进，如今汽车的发动机主要是四冲程发动机。发动机内有气缸和活塞，活塞与连杆相接，连杆连接着活塞和曲轴。活塞在汽缸中进行上下往复运动，带动连杆，从而使曲轴转动，这就是汽车运动的基本工作原理。

汽车动力转动系 | 图源：《汽车是怎样跑起来的》

活塞的往复运动包括进气、压缩、膨胀和排气四个冲程，这也是四冲程的来源。其原理如图所示，首先是进气，空气与汽油混合后的混合气体被吸入汽缸，活塞向下运动；接着是压缩，降至下止点的活塞逐渐上升，压缩汽缸中的混合气体；然后是膨胀，活塞升至上止点时，压缩后的混合气体被点燃，开始迅速燃烧，随后，气体膨胀下压活塞；最后是排气，此时活塞再次上升，并随其上升向外排出混合气体燃烧后残留的煤烟。排气结束后会返回到最初的进气过程，再次重复压缩、膨胀、排气和进气。

四冲程发动机工作原理

几种常见的发动机工作示意图：

直列式发动机——L4发动机，汽缸肩并肩地排成一排

水平对置式发动机——汽缸排列在发动机相对的两个平面上

V型发动机——V6发动机，汽缸排列在成一定角度的两个平面上

发动机做功带动曲轴转动为汽车的运动提供了驱动力——扭矩，扭矩是使物体发生转动的一种特殊的力矩。在物理学里，作用力促使物体绕着转动轴或支点转动的趋向，称为力矩也就是扭转的力，力矩能够使物体改变其旋转运动。力矩等于径向矢量r与作用力F的外积：

简略地说，力矩是一种施加于好像螺栓或飞轮一类的物体的扭转力。例如，用扳手的开口箝紧螺栓或螺帽，然后转动扳手，这动作会产生力矩来转动螺栓或螺帽。

力矩与作用力的关系 | 来源：wiki

发动机的扭矩就是指发动机从曲轴端输出的力矩，它反映了汽车在一定范围内的负载能力。外部的扭矩叫转矩或者叫外力偶矩，由摩擦力等产生；内部的叫内力偶矩或者叫扭矩，由发动机工作产生。

对汽车运动做一个简要的力学分析，假设这是一辆后轮驱动车，对于后轮C，曲轴提供扭矩带动轮胎转动，轮胎与地面产生的摩擦力——抓地力抵抗轮胎的旋转，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。在汽车正常启动和行驶的情况下，这种摩擦可以理解为静摩擦力，因为在轮胎与地面接触的点A处没有发生相对滑动。假设圆心C点处速度为：

则根据无滑滚动的条件，A点速度为：

再将上式对时间求导数得：

以C为基点，可求出轮胎上任意一点P的速度：

可以看出汽车的行驶速度与轮胎的转速紧密相关。由于摩擦力提供牵引力，最后输出到轮胎上的扭矩在数值上等于轮胎半径R与摩擦力f的乘积。根据牛顿第二定律，在轮胎半径R固定以及摩擦力小于最大静摩擦力的情况下，扭矩越大，汽车的加速性越好，也就是所谓的“推背感”越好。

图源：PCauto

发动机转速表

当然，在汽车上扭矩与摩擦力和驱动力的关系远没那么简单，通过多个齿轮的耦合，最终汽车才可以动起来。引擎输出至轮胎为止共经过两次扭矩的放大，第一次由变速箱的档位作用而产生，手动挡模式换挡时，换的就是齿轮的大小比率。如下图所示，1档时虽然增大了力，但是根据，驱动轮转速是发动机转速的1/4，发动机转速有限，因此行进的速度也受限，最多是20～30km/h，想要提高速度便需要通过换高挡来降低齿比提高驱动轮的转速。

1档～4档使用的齿轮组一览 | 图源：《汽车是怎样跑起来的》

第二次则由主减速比决定，在传动系中起降低转速，增大转矩作用的主要部件是主减速器。相同的发动机，如选择更大的主减速比，可获得更大的最大扭力，加速时可以获得较好的加速性能，不过牺牲的是最高车速。

扭矩的总放大倍率就是变速箱齿比与主减速比的相乘倍数，并且算上一些机械损耗。扭矩=引擎输出扭矩×变速箱齿比×主减速比×机械效率。发动机的功率=牵引力×轮胎半径×轮胎转速；而扭矩=牵引力 × 轮胎半径，故得出功率=扭矩×轮胎转速。

总之，扭矩指的是力本身，而功率是指做功量。扭矩表示爆发力的大小，因此简单来说是由排气量的大小决定的。功率表示做功量，它与汽车能够行驶得多快多远（即速度）有关。即使是排气量小、扭矩小的发动机，只要能提高转速，也能够增大功率。

烧胎现象 | 图源：pixabay

汽车与路面的唯一接触点就是轮胎，因此轮胎的性能以及地面的状态对汽车的行驶来说十分重要，安全行驶需要轮胎与地面保持无滑滚动的状态，这种状态只有静摩擦力存在。静摩擦力有一定的限度，驱动力和加速度也受到了限制。当轮胎的转动加速度时，轮胎与地面会发生滑动摩擦，比如在结了冰的路面、下过雨的路面都容易打滑，甚至在起步时油门轰得过快，也会发生轮胎部分空转。我们在行驶过程中一定要随时留意轮胎状态和路面情况，谨慎驾驶。

图源：beebee星球

不仅在行驶过程中，在制动停车时静摩擦力也起着十分重要的作用，轮胎不转动就无法制动，这可能有些违背直觉。如果轮胎在汽车行驶时停转了就会在路上滑行，急刹车时就可能出现这种现象。因此工程师设计了Anti-lock Brake System (ABS) 也就是防抱死系统，该系统利用传感器监测汽车的速度和轮胎的转速关系从而调整制动的强度，这样一来，即使我们在紧急情况踩紧刹车，轮胎也不会锁住抱死。

刹车防抱死系统

在不得不出现滑动摩擦过弯的情况下，可以参考一下斯堪的纳维亚钟摆的过弯技巧：

斯堪的纳维亚钟摆 | 图源：beebee星球

温馨提示：开车时无论遇到什么情况，都请淡定地握住方向盘，用我们所学的理论知识保证安全。

图源：beebee星球

看完这些，还在考驾照的你是不是更有底气了？

参考资料：

[1] 御堀直嗣.《汽车是怎样跑起来的》

[2] 卢圣治. 《理论力学基本教程》

[3] 力矩，维基百科

[4] 扭矩，百度百科

编辑：小林绿子

我们是谁：

MatheMagician，中文“数学魔术师”，原指用数学设计魔术的魔术师和数学家。既取其用数学来变魔术的本义，也取像魔术一样玩数学的意思。文章内容涵盖互联网，计算机，统计，算法，NLP等前沿的数学及应用领域；也包括魔术思想，流程鉴赏等魔术内容；以及结合二者的数学魔术分享，还有一些思辨性的谈天说地的随笔。希望你能和我一起，既能感性思考又保持理性思维，享受人生乐趣。欢迎扫码关注和在文末或公众号留言与我交流！

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