作为人类主要交通工具的汽车,从诞生发展到现在已有上百年的历史了。汽车制造技术无论在动力、安全还是外观上都有了突飞猛进的提高。这期间,人们还想象着让汽车能像飞机一样飞起来。但汽车的动力必需通过车轮转换及受道路限制等原因不得不使人们放弃了这种念头。汽车的动力是要靠车轮在陆地上转动转换实现的,一旦汽车离开地面就会失去动力。而如果提供动力的是其它形式,如使用喷气发动机或者火箭发动机,那就不叫汽车了。况且公路上也不允许一辆辆汽车拖着长长的“翅膀”横扫道路。


汽车给我们带来了诸多便利,实实在在地改变了我们的生活,但同时也在大量消耗着地球上不可再生的能源资源。想象一下,如果地球上的石油被挖完,又没有更好的替代能源时,我们的汽车还能跑起来吗?进入21世纪,大家更能感受到能源危机给我们生活带来的影响:油价飙升,有的地区甚至出现了油荒……


据说现在地球的石油储量只够人们再挖上五十年,氢将成为第二代能源。但以目前的氢制造技术成本仍然显高,还必须等到人类能够控制利用核聚变的那一天才能使之真正替代石油。而人类要掌握控制利用核聚变技术还需等上五十至一百年。那么在这过渡时期,我们该做些什么呢?提倡节约,使用小排量汽车等等都是延缓石油资源耗尽时间的办法。但刻意去节约或者为了节约去购买并不喜欢的小排量汽车总是有点勉强人,也许对人的心情来说还是一种痛楚。比方说,本打算开车去郊外散散心,可一想到为了节约,还是不去了吧。结果可能为了节约,把心情搞得更坏了。这在人们身心健康上的得失又怎能计算得清楚呢?因此,让人们能够在不知不觉中节约,才是真正的节约。在这里,就是要让汽车更节能。


如今,汽车的节能技术已经日臻完善。不过,技术人员似乎都把注意力集中到发动机和空气阻力上了。我们知道,汽车油耗的头号杀手其实是车的重量。可车的重量能减下来的吗?


可以的,那就是利用大气压力。重达几十上百吨的飞机都能在大气压力的作用下升到天空中,何况区区几吨重的汽车?飞机之所以能飞上天,靠的就是机翼的特殊结构(图1是机翼的纵切面图)。可汽车没有机翼呀?我们知道,飞机所能得到的升力是机翼各受力面的总和。那么,当我们将车体设计成稍明显的“头高尾低”,使其纵切面与飞机机翼纵切面相似时会怎样呢?对了,车体就已相当于机翼的一部分,具有了机翼的功能(图2)。汽车在向前运动时,会在大气压力的作用下产生升力,抵消一部分车重,从而起到节能的作用。同时,汽车在行使过程中产生的震动也会大为减轻。


那么,能产生多大的效果呢?


同样,汽车能获得的升力是车体各受力面所受大气压力的总和(物体所受大气压力=大气压强×物体所受压强的面积)。我们以理想状态(即假设汽车能受到1个标准大气压的作用),汽车长(注意只能计算图1中的L)为3.0m、宽为1.3m计算,则其所能得到的最大升力=1.01×10^5 N /m^2×(3.00m×1.30m)÷9.80N/kg =40193.88kg。

汽车在行使中要克服的最大阻力是车轮与地面的滚动摩擦力,而滚动摩擦力又与其正压力成正比。就是说汽车越重,对地面的压力就越大,汽车行使所受的阻力也越大,汽车耗油量随之增大。虽然大气压力的作用是浮动值,与行使速度相关,但从计算结果看,即使只有5%理想状态的大气压力作用,也足以将只有2000kg左右的汽车提升到对地面几乎无压力的临界状态,使汽车近似于飞了起来。


汽车在接近临界状态时就可以较小的功率获得较大的速度,将产生极高的节能效果。如果忽略空气阻力,并粗略地认为汽车耗油量与汽车行使时对地面的平均压力(升力与车重之差)成正比,则只需有0.5%理想状态的平均大气压力作用,就可以节省燃油10%左右。


和大家一样,作者在提出这一观点的同时也考虑到该技术可能遇到的各种问题。


首先,请大家理解好文章中的几个概念:


理想状态:即假设汽车在向前运动时,汽车顶部和底部的大气压力差能达到一个标准大气压的大小。但事实上是不可能达到的,只能无限接近。在没有实验条件的情况下,文章以有具体数据的极限值作标准描述了效果。这是分析物理现象常用的方法。


临界状态:当车轮对地面无压力时,汽车动力将无法起作用,车速、升力随之降低,这时车轮重新对地面产生压力,汽车动力也重新起作用……如此反复,形成一种平衡状态。题目所用到的“飞”字是加了双引号的。因为汽车要靠车轮转动产生动力,这决定了它的“飞”不同于与真正意义上的飞。


现在,我们从汽车运行的几个阶段来分析一下大家关心的安全问题。


一、启动


启动时汽车速度由零增加至一定的小速度,所起的作用很小,无需讨论。


二、高速行使中


随着速度的增加,汽车就有可能到达临界状态,近似于飞起来。也许有人会提出,汽车达到临界状态,“飘”起来是很危险的。事实上,当汽车作直线运动时,如果没有侧作用力,就算是有小的腾空,也不会有什么危险。何况,按普通的汽车速度可能还达不到临界状态。


飞机要起飞,需要在跑道上加速到起飞速度(不同的飞机起飞速度不同,班机的起飞速度一般都要大于300km/h),让飞机接近于腾空(这可以称之为飞机的临界状态),然后再依靠机翼上的定风翼作用使飞机拉起起飞。虽然汽车比飞机的重量小得多,但飞机的机翼受力面积却远比汽车的受力面积要大,并存在杠杆作用,还要飞到上万米的高空。所以汽车要达到临界状态,没达到甚至超过飞机的起飞速度恐怕是不行的。而汽车出厂时都会作限速设计,高速公路也同样限速。因此,要想体验临界状态的感受,也许只能在荒漠里用实验车来进行了。


三、紧急制动


同样可能有人会提出,要是汽车到达临界状态,车轮与地面几乎没有了摩擦,一旦要紧急制动,可就很危险了。的确,要真是那样就等于在冰面上踩刹车了。不过大家知道,当要踩刹车时,首先是得松油门的。油门一松,汽车立刻就会减速,车轮对地面的压力也会迅速恢复。


四、弯道行使


弯道行使是汽车安全的最大威胁。到达弯道前须减速刹车是常识。在看到要把汽车“提升”的字眼时,大家最容易与F1赛车相比较。现在的F1装有与机翼作用相反的定风翼,以增加赛车的下压力,提高赛车的安全性。


那是不是“提升”理论错误了呢?不是。我们先来看看汽车(这里轿车)与F1有何不同。


汽车:自重2000~3000kg,重心高度约0.5m,最高时速一般小于250km/h。


F1:总重(含驾驶员)600kg,重心高度约0.3m,最高时速大于300km/h。


从数据中看出,轿车的重量是F1的3~5倍,重心比F1高,速度比F1小。这就可以理解为什么F1需要增加轮胎宽度,需要定风翼,为什么弯道事故中汽车是以侧翻为主, F1则是甩尾了。而F1定风翼所产生的下压力,与汽车的车重相比简直是九牛一毛。


因此,“提升”后的汽车进入弯道需要担心的并不是下压力不足,而仍然是向心力不足造成的侧翻。我们再假设汽车以“提升”后下压力不足的速度转弯,很显然汽车会马上发生甩尾。然而,当甩尾开始时,汽车的运行方向发生变化,瞬间“提升”作用剧减,车轮与地面的摩擦力将迅速恢复。这样一来,这甩尾作用反而减轻了侧翻的危险。


要补充的是,F1与地面的摩擦力是几乎是恒定的。而应用该技术汽车顶部的大气压力就像弹簧一样,时刻随着汽车的车速、方向的改变而改变,进而体现为车轮对地面的压力。


当然,应用该技术旨在节能。我们不追求一定要达到临界状态。以汽车最大速度也未必能达到。假使能达到,而且影响了安全性能,我们尚可以通过改变斜面斜度来控制升力大小。为了能让大家更好地理解节能含义,这里假设载有5人的应用该技术的汽车,在行使时受到的升力作用刚好抵消了5人的重量。这时,该车就相当于一辆空车了,其节能效果不言而喻。


不过,在进行汽车设计时还是需要进行试验,包括限速、弯道控制等等,以期该车型能达到尽善尽美的效果。


还是让我们期待着这一技术能早日造福人类吧!


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