現(xiàn)代汽車的物理原理

馬斯萌

摘 要：汽車作為一種常見的交通工具，與我們的生活密切相關(guān)。汽車的普及為人類節(jié)省時間，提高工作效率，方便出游，豐富生活，促進經(jīng)濟的發(fā)展。汽車雖然與我們的距離很近，司空見慣。但我們對它卻又不甚了解，其實汽車的構(gòu)造來源于生活，卻又高于生活，汽車的工作原理來源于物理，卻又不限于物理。本文主要對四沖程發(fā)動機原理的解釋及對其熱損的探究和對擾流板的介紹及其對于現(xiàn)代汽車的必要性。

關(guān)鍵詞：物理；汽車；內(nèi)燃機；擾流板

自1885年德國人卡爾.本茨研制出世界上第一輛馬車式三輪汽車，為現(xiàn)代汽車奠定基本雛形以來，“汽車”作為第二次工業(yè)革命最偉大的成果之一，憑借其優(yōu)異于馬車、電動車的性能及其廣闊的發(fā)展前景，一直為歷代機械發(fā)燒友所追捧并日趨平民化、大眾化，逐漸走入我們?nèi)粘５纳?。我們可將其視為一個運輸工具、一種財富象征，亦可把它看作一件集各項科技成就于一體的藝術(shù)品，一個飽含物理原理的寶庫。

一、現(xiàn)代家用轎車四沖程發(fā)動機原理的解釋及對其熱損的探究

當(dāng)我們談到一款車時，不可避免地要對其動力部分探討一番，但我們對動力組成的核心——發(fā)動機又了解多少呢？現(xiàn)代家用轎車的引擎屬于內(nèi)燃機的一種，與其相對的是外燃機，由燃料的燃燒做功位置而區(qū)分。通過燃料不同可分為汽油機、柴油機等等，依照做功過程又分為雙沖程、四沖程，本次我們只探討四沖程汽油內(nèi)燃機主要組成部件和工作原理。

現(xiàn)代家用轎車大多使用的四沖程發(fā)動機，最早由“德國著名發(fā)明家奧古斯特.奧托所設(shè)計制造，故四沖程引擎做功過程又稱“奧托循環(huán)”。所謂四沖程則是吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程。連桿與火花塞在氣缸內(nèi)每向上或向下運動一次叫作一個沖程。

顧名思義，吸氣沖程時進氣門打開，排氣門關(guān)閉，輪軸帶動去曲軸轉(zhuǎn)動，曲軸又使得連桿和活塞向下運動，氣缸內(nèi)體積減小，由波馬定律PV=C（T恒定）可得：P

根據(jù)開爾文對熱力學(xué)第二定律的表述：“不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完成功而不產(chǎn)生其他影響”，任何熱機都會有能量損失，只是其損失量大小和損失途徑不同而已。關(guān)于此熱機的能量損失，由于做功和壓縮沖程都是在密閉環(huán)境下完成，所以對缸體的氣密性是一個很大的考驗。如果燃?xì)獠荒芎芎玫孛荛]在氣缸內(nèi)，漏出氣體既是對燃料的浪費也會平添一份缸外爆炸的危險，更不能很好的推動活塞做功。所以，既能很好的密封氣體又有足夠強度不發(fā)生形變的活塞和氣閥是現(xiàn)今汽車發(fā)展的一大瓶頸。同時，為了使缸內(nèi)近乎“爆炸”的做工過程，汽車廠家不得不采用堅固的金屬材料作為發(fā)動機主體，但因金屬有良好的導(dǎo)熱性，膨脹的氣體未等做功就將內(nèi)能喪失了大半，實際用來汽車前進的能量只占20%左右。究竟怎樣設(shè)計，運用什么樣的材料，才能使燃機的效率提高，也是研究人員很頭疼的問題。

二、擾流板的介紹及其對于現(xiàn)代汽車的必要性

相信每個男孩都有或有過一個賽車夢，而我們對賽車的定義之一就是要有一個帥氣、動感的外形。但汽車工程師們將賽車線條勾勒得如此完美可不僅僅是因為好看，更有豐富的空氣物理學(xué)原理蘊藏其中。在此我們對影響汽車外形的擾流板工作原理，進行下簡要分析。

汽車擾流板按照其部位分為前、中、后三類，位于車頭下半部分的稱為“氣壩”，部分跑車還會在前輪的后方加裝叫作“側(cè)裙”的側(cè)擾流板，以及我們常見的后擾流板——尾翼。那么這些極富線條美的部件是如何在車輛行駛過程中發(fā)揮作用的呢？

你也許會注意到許多賽車電影中的主角，總是喜歡在自己的愛車前部加上一圈很像“口罩”的東西，這就是汽車前擾流板，被形象地稱為“風(fēng)壩”。由于前文中提到的氣體穿過汽車底部會產(chǎn)生向上的“升力”，所以利用前氣壩對空氣的阻擋，可有效減少進入底部的氣體，從而使車輛的行駛更加安全、平穩(wěn)。不難理解，當(dāng)氣流從高速行駛中汽車的前部穿下時，也同時會從側(cè)部流入。原理和前氣壩相似，“側(cè)裙”就像一對在車輛側(cè)面的“氣壩”對斜向進入車底的氣流進行干擾或引導(dǎo)其向尾部流去。

“尾翼”的設(shè)計原理稍有不同，但目的也是讓汽車盡可能地貼地行駛。與飛機機翼的原理類似，但造成工匠們將上下面對調(diào)，即頂部較平而底部彎曲，這樣就產(chǎn)生了與升力相反的效果。由于上下表面的氣體壓力差，尾翼所在受到的合力向下，也就是壓緊了汽車，而且這個差值隨車速上升而增大，跑得越快，壓得越緊，汽車的抓地性也越好。如果在車前也加裝上類似的裝置，就有了F1方程式賽車的樣子，所以F1比賽用車能以高于民用轎車幾倍的速度平穩(wěn)行駛，便不足為奇了。加裝置擾流板能使得汽車外形更加靈動、緊湊，又滿足了發(fā)燒友們安全完成各項特技動作的需要，可謂科學(xué)來源于實踐，又應(yīng)用于實踐的一個很好范例。

相信有探究精神的朋友，在讀到此處時心中又被一個問題所困擾：常識告訴我們要想跑得快就要減小阻力，而越接近流線型的物體阻力越小，像海豚、金雕，它們的外形都是很平滑的呀！而你這樣前凸一塊、后冒一塊的，穩(wěn)定性是高了，可增大的油耗也不小??！風(fēng)阻與速度的平方成正比，當(dāng)汽車高速行駛時，這阻力就更加明顯而不可被忽視了呀！那么事實真的是這樣的嗎？

其實，現(xiàn)實情況正與我們的猜測相反，汽車在行駛過程中會受到縱向、側(cè)向、垂直三個方向的風(fēng)阻，其中起主要影響的是垂直上升的這一部分。汽車工程師們通過一次次的計算與實踐，將擾流寬度與車寬完美配合起來，使得縱向風(fēng)阻大大減小。垂直上升的氣體升力會使汽車在高速行駛狀態(tài)下出現(xiàn)抓地不牢甚至空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，對燃料造成了很大的浪費。而加裝擾流板后會使汽車行駛更加平穩(wěn)省油。值得注意的是，所有這一切都是基于汽車高速行駛的前提下提出的，根據(jù)奧迪公司的風(fēng)洞實驗，車型不同抗阻系數(shù)也不一樣，氣體的影響當(dāng)車速超過60Km/h時才值得被注意，甚至可以達到節(jié)省10%～15%的燃油消耗，而對于低速行駛的車輛并無太大影響。所以，如果你只是一個每天車程不超半小時的上班族，加裝尾翼除了會讓你的愛車更炫酷一點，還會讓你每月多花幾百塊油費為其埋單。

三、結(jié)語

對于一臺車，你可以將其看作一件工具，一個錢包、鑰匙、手機一樣的生活必須品，當(dāng)選購它時可以完全依靠價位和品牌來判定好壞，當(dāng)出故障時，完全可以將其停到修理廠。但這都不是一個有思想的人會去做的，他們會從一部車的背后看到的是無數(shù)研發(fā)團隊和科學(xué)家所不懈努力的結(jié)晶。當(dāng)他們選購車時會將各個參數(shù)逐一比對，不放過每個細(xì)節(jié)，出現(xiàn)小毛病時會先翻出說明書自己研究一番，生活中的樂趣遠(yuǎn)不止于享受，能想明白周圍事物的道理從而應(yīng)用，往往能使得我們的內(nèi)心得到更大滿足！