極速賽車手

仿　客

大輪轂、薄輪胎

我們在電影里看到，神奇賽車馬赫5與普通車外形最大的不同之處是：擁有很大的輪轂以及很薄的車胎。一般車胎的厚度都超過10厘米，而賽車輪胎充其量只有幾厘米，這種設計合理嗎？

讓我們回頭想想車胎的作用吧。它相當于是賽車的鞋，是用來傳遞賽車與地面之間的力的——發動機的動力通過曲軸傳到輪轂再傳到車胎，再依靠車胎與地面的摩擦力的反作用力，推動賽車前行；地面的顛簸也先經過了車胎的緩沖才傳到賽車。前者需要車胎既具有較好的剛性以迅速傳遞力量，又具有良好的抓地能力；而后者則要求車胎具有足夠的彈性和緩沖能力。

當車胎由厚變薄，整體的剛性隨之大幅度提高，力傳遞的效率也跟著變高，且只會略微影響抓地的能力，但緩沖能力則隨之大幅度下降。權衡利弊，賽車所行駛的路面狀況一般都很好，對車胎彈性、緩沖的要求并不高，而且車輪架的緩沖能力還能作為補充，相比之下，為了更高的速度而提高車胎剛性的需求更為迫切。因此競速賽車都選用了很薄的車胎，并加大輪轂以保持車輪大小。

幽靈飄移

在電影開始不久，就是Speed駕駛著馬赫5在賽道上狂飆的場景，云霄飛車般翻滾扭曲的賽道讓馬赫5的矯健身影變得更加誘人，而在彎道上橫過車身的飄移所帶來的尖銳的剎車聲也很誘人。然而，電影中這種超炫的飄移轉彎根本不對！

飄移是賽車中一種很重要的技法，幾乎是汽車在高速行進中進行大弧度轉彎的唯一途徑，問題在于，當車身橫過來的時候，車的前進速度是必然會下降的。

上期文章中說過，制約賽車速度的因素，一是質量二是阻力，而空氣阻力無疑是各種阻力中最主要的。車的側向風阻是正面的若干倍，而且車輪提供的動力不能分解到側向，所以飄移轉彎的時候，橫過來的賽車必然有一個非常明顯的減速，而這一點在電影中完全沒有表現出來。

我們還可以用更加簡單的方式來說明減速的問題，即用物理課上速度分解合成的知識來理解。我們假設有一輛車，以速度ν往正北走，然后突然要轉向正東，那么它的速度變化是怎樣的呢？其實就是向北的速度從ν降低到0，而向東的速度從0提高到ν。這個時候，單純看向北的方向，就是一個完全的減速過程。這里是轉直角彎的情況，改成其他角度道理也是一樣的，只是稍微不那么明顯而已。

那么，因為轉彎而損失速度真的是不可避免的嗎？未來有沒有可能發明一種車，大弧度高速轉彎也不會變慢呢？在牛頓力學體系下面，是不可能的。所以，我們要跳出牛頓力學體系……嗯，使用傳說中的空間扭曲……

課堂總結展望

最后讓我們以對未來賽車的暢想來結束本堂物理課吧！客觀地說，如果還要使用車輪作為驅動，那么在以競速為目的的場合下，F1賽車的車型已經幾乎達到了極致，即使未來科技出現更大進步，這種構架、車型也不會有顯著的變化。因為車輪的存在給賽車帶來了很多的矛盾：必須保持車輪對地面的壓力，否則就會打滑，然而壓力太大又會導致阻力太大；高速運行中一種輪胎只能適應一種路面，但是即使是F1專用賽道上都會存在干濕兩類路面；有彈性的輪胎才能有助于增大地面附著力以及緩解沖擊，然而彈性會使大量的動能被消耗掉……F1幾乎已經是這些矛盾博弈后的最佳產物了。

所以，如果要憧憬未來的賽車，首先就應該把帶來諸多限制的車輪拿掉。而且，我們會發現不缺拿掉車輪后的技術儲備：磁懸浮、氣墊、地效應等等（地效應：又稱地面效應、翼地效應，是飛行器在很接近地面時，突然獲得很大的升力，同時誘導阻力大幅度減小的一種流體力學現象。前蘇聯及中國在此技術的研究使用上居世界領先，俄羅斯已經有成熟的地效軍用運輸機，中國的艦艇也有部分使用了地效應原理）。

只要解決了啟動速度以及電能儲存的問題，把磁懸浮小轎車開上鋪了金屬板的地面并非不可能；而氣墊更是只需要解決噪音和空氣泵的效率這兩個問題——現在我們的氣墊船都已經可以開上公路了；只有地效應在小型化的道路上有諸多不便，但也可以作為重型高速運載的一個重要技術補充。

是的，未來將是飛車的時代。所以，也許未來某一天，我們將在空中的Fx賽車看臺，欣賞只有幾個小小的輔助車輪的賽車凌空飛過，快如閃電。

上期答案：電影中的情況是不現實的。除非關掉發動機，否則賽車不可能如此陀螺式向前運動；另外，由于賽車在旋轉時受到的阻力不斷變化，長度方向上受到的阻力最小，也不可能像陀螺一樣旋轉得均勻流暢；最后，只有當四個車輪全都打滑，才能陀螺式前進。

在電影中，漂亮的女技術員告訴Speed，在車輪上使用金屬齒可以讓他的賽車在任何路況下隨意通行，這可能嗎？為什么？答案寄至《中學科技》編輯部，歡迎你的參與！