扭矩是個啥玩意兒

買車的時候，銷售人員總是告訴你這車排量是多少，功率是多少，扭矩是多少，可作為聽眾的你們，有多少人知道這個扭矩到底是個啥玩意兒?有的人說：扭矩是讓物體旋轉的力：有的人說：扭矩越大汽車的性能越好：還有的人說：扭矩是個虛擬的物理量……面對如此之多的說法《Geek》發現幾乎沒有人能夠完完整整將扭矩是什么告訴我們，扭矩究竟是個啥玩意兒?對于這個問題，我們在中學的物理教材上發現了它的定義：扭矩就是力矩的大小，等于力臂與力的乘積但是，對于這樣一句簡單得不能再簡單的解釋，《Geek》相信大多數朋友看了腦中還是一團霧水，既然教材解決不了這個問題，那么現在《Geek》就來講講扭矩是個啥玩意兒。

扭矩的定義

通過中學物理教材上對扭矩的定義我們已經知道，扭矩其實就是力矩。在物理學中，力矩是一個可以被理解為旋轉力或角力的物理量，可以導致旋轉運動的改變。但是請各位朋友注意在這條定義中的“理解”二字，無論是扭矩還是力矩，它們都是只能被理解為力，實際上它們并不是力。既然扭矩不是力，那么它又是什么呢?要回答這個問題，我們必須從扭矩的歷史講起。

地球上最早對扭矩這個物理量產生興趣的人，就是那個因為高呼“尤里卡”口號的舉世聞名的裸奔者——阿基米德。他通過對杠桿的研究，將杠桿分為3個組成部分，分別是支點、動力臂與抗力臂。所謂的支點，其實就是杠桿繞著轉動的固定點。而動力臂則是因為推動杠桿運動的力叫做動力，所以支點到動力作用線之間的距離叫做動力臂：與之相對，抗力則是阻礙杠桿運動的力，支點到抗力作用線之間的距離叫做抗力臂。阿基米德在研究時發現，認為杠桿處于靜止或勻速旋轉時，該杠桿就處于平衡狀態。經過研究它得出結論：要讓杠桿處于平衡狀態，必須滿足“動力臂×動力=抗力臂×抗力”這個條件。舉個簡單的例子，在一條長10米的杠桿上，杠桿的左端掛有一個質量為4公斤的物體，其重力為9.8×4=39.2牛：而在杠桿的另一端則掛有個質量為6公斤的物體，其重力為9.8×6=58.8牛。在這條杠桿上左右兩端物體的重力互為動力與抗力，如果要讓杠桿處于平衡狀態，那么它的支點必須設置在距左端6米的地方。這是因為要實現杠桿的平衡狀態，就必須滿足動力臂×動力=抗力臂×抗力這個條件，即6米×39.2牛=4米×58.8牛。通過這個例子各位朋友是不是覺得有些眼熟?沒有錯，動力臂×動力=抗力臂×抗力其實就是這條杠桿的力矩，也就是它的扭矩。也正因為阿基米德對杠桿的研究，后來人們將扭矩用希臘字母T表示。另外，當杠桿處于平衡狀態時，動力與抗力都與杠桿保持垂直，所以扭矩被定義為杠桿端點到支點的距離乘以于杠桿端點垂直的力。由于杠桿的平衡狀態也可以是勻速旋轉運動，所以扭矩也可以被表述為物體上某一點到旋轉中心的距離乘以這一點上垂直方向的力。

扭矩的單位

通過對杠桿的分析，我們已經知道扭矩的定義了。可非常奇怪的是，根據前面我們對扭矩的定義，它的單位應該為距離×力，即“米·牛”，可為什么我們看到的單位大多為“牛·米”呢?對于扭矩的單位中距離與力的次序，雖然根據數學原理是可以進行互換的，但是互換后單位的含義就會發生改變，這樣的單位明顯是錯誤的。既然如此，我們為什么還要堅持使用“牛·米”這樣的錯誤單位呢?其實，對于這個錯誤，其實人為造成的——罪魁禍首就是國際重量測量局(Bureau Inlernational des Poids e Mesures)在制定國際單位時，強制規定在扭矩的單位中距離與力的次序為“牛·米”。既然有這樣的規定，從此以后“牛·米”這個錯誤的單位開始就被人們使用，時間一長也就習慣了。而扭矩的定義一般也就被表述為：扭矩就是力矩的大小，等于力與力臂的乘積。除了“牛·米”這個大家常用扭矩的單位之外，在地球上的許多地方，特別是在歐洲與北美洲扭矩還有另外一種單位——“磅·英尺”(或者磅·英寸)。這一單位其實是“牛·米”的變形。現在，我們先從“牛·米”中的力人手進行換算。我們知道重力與質量是可以進行換算的，一般而言，質量為1公斤的物體，其重力為9.8牛：而1公斤約等于2.20磅，也就是說質量為1磅的物體，重力約等于4.54牛。1米約等于3.28英尺，所以將兩個單位進行換算后即可得出1牛·米等于0.72磅英尺。

扭矩的方向

在用右手定則確定扭矩的方向時，請一定要將手懸空，否則與一些高速度旋轉的物體接觸，你的右手因此而被廢掉《Geek》可幫不了你。

在生活中，我們相信許多朋友都可以左右手協調配合做許多事情，甚至包括發生超友誼的關系。可是在物理學中，右手的作用可比左手大多了——根據右手定則，我們不僅可以用它來確定磁場的方向，而且我們還可以用它來確定扭矩的方向。對于一個旋轉的物體，我們伸出右手，四指并攏，在拇指與四指形成大致的直角之后，將四指順著扭轉的方向將旋轉的物體的中心軸懸空握住，此時拇指對應的方向就是扭矩的方向。既然我們可以通過右手定則，根據物體旋轉的方向來確認扭矩的方向，那么改變扭矩的方向是可以改變物體旋轉的方向。在汽車倒車的時候，是否就是通過改變扭矩的方向來實現的呢?答案當然不是這樣的，在汽車上，扭矩是由飛輪傳遞到變速箱，再由變速箱中的齒輪組改變傳動軸的旋轉方向，最后通過主減速器帶動車輪實現倒車的。而在這一系列過程中，扭矩的方向是沒有被改變的。在實際應用中，有沒有例子是通過改變扭矩的方向實現改變物體旋轉的方向呢?答案是肯定的，如曾經在地球上廣泛應用的蒸汽機車就是其中之一。對于蒸汽機車而言，活塞始終做著相同的往復運動，要改變扭矩的方向只能通過與活塞連接的平行四邊形連桿來實現。通過改變主動輪上扭矩的方向，進而實現了改變主動輪旋轉的方向，這樣就達到了倒車的目的。

功率、轉速與扭矩的關系

對于汽車愛好者或者準備買車的朋友，在4S店經常可以看到這樣的現象：那些雙眼冒著“$”的銷售代表總是通過我們的耳朵，向我們反復灌輸某款汽車的發動機的功率是多少、轉速是多少、扭矩又是多少。可是仔細一問，大多數銷售代表只能含糊其辭，告訴我們這3個參數越大，汽車的性能越好。對于這樣的回答，只要稍微有些懷疑精神，我們相信各位朋友是不會對它信以為真的。其實，對于發動機的功率、轉速與扭矩這3個參數，它們是相互關聯的。下面《Geek》就準備好好來說說。

舉個簡單的例子：騎自行車的經驗各位朋友都還有吧。在平坦的道路上騎車，你要提高騎行速度，在不調節自行車的變速比的情況下，多蹬踏踏板幾圈就行了。當然，這個時候身體的運動量就會上升。如果我們將自行車看作汽車，那么你的身體便是汽車中的發動機。想要讓汽車獲得更快的速度，在變速箱檔位不變的情況下，就必須通過提高發動機的功率與轉速來實現。一般而言，發動機的功率與轉速是成正比的，轉速越高，功率越大。由此可見，汽車的加速性能是由發動機的轉

速與功率來確定的。

現在你騎著自行車經過了平坦的道路，前面有一段長上坡的道路。那么你在騎行的時候，肯定會感覺到身體的負荷越來越大，而你蹬踏的速度也隨之下降低，為了保證騎行速度，你只有花上大力氣多蹬踏踏板幾圈來實現。由于自行車的踏板通過曲柄繞中軸旋轉，這就相當于力臂是固定不變的，你花大力氣蹬踏踏板，其實就相當于提高發動機的扭矩。另外，由于你多蹬踏踏板幾圈，在提高扭矩的同時，相當于還提高了發動機的轉速與功率。由此可見，汽車的爬坡性能是由發動機的扭矩、轉速與功率共同確定的。

現在，通過上面兩個例子，我們已經知道了發動機的功率、轉速與扭矩這3個參數的關系。所以，各位朋友在購買汽車的時候，千萬不要被那些銷售代表忽悠了。不能單獨看發動機的功率、轉速與扭矩這3個參數，而必須將它們聯系起來分析。

看懂發動機工況圖

既然要將發動機的功率、轉速與扭矩這3個參數聯系起來分析，那么我們就不得不用到發動機工況圖。通常情況下，汽車廠商會都提供張發動機工況圖。在這張圖上，通過直角坐標系表明了發動機的功率、轉速與扭矩這3個參數。由于，圖中會分別用兩條不同的曲線來表示發動機的功率與扭矩，所以直角坐標系中的x軸代表了發動機的轉速，而Y軸則代表了發動機的功率與扭矩。下面我們就以《Geek》編輯中，隱藏得最深的米人——老妖的愛車斯柯達明銳1.8TSI為例子，通過發動機工況圖向各位朋友解釋說明。

每分鐘1000轉：

當發動機啟動后，首先讓這款1.8升的發動機的處于怠速狀態，其轉速為每分鐘1000轉，而扭矩與功率分別為165牛·米與40千瓦。

每分鐘1500轉：

當你踏下油門踏板是時候，隨著發動機轉速的提高，其扭矩與功率也分別提高。相比之下扭矩比功率的提升更為明顯，在發動機的轉速為每分鐘1500轉的時候，其扭矩就達到了250牛·米。在此之后，轉速與功率的提高理論上是成正比的，這說明斯柯達明銳1.8TSI處于正常的加速狀態。

每分鐘3800轉：

雖然發動機的轉速繼續提高，但扭矩卻一直保持在250牛·米的位置。另一方面，發動機的功率卻與轉速成正比提高，在轉速為每分鐘3800轉的時候，代表發動機功率的曲線與代表扭矩的曲線相交。這時，發動機的功率為100千瓦，扭矩為250牛·米。簡而言之，當老妖通過油門踏板將發動機的轉速控制在每分鐘3800轉的時候，這款TSI發動機正好可以發揮出最佳經濟性能。

每分鐘4200轉：

在發動機的轉速達到每分鐘4200轉之后，扭矩從250牛·米的位置開始呈現出下降的趨勢。因此，250牛·米就是這款1.8升發動機的最大扭矩。另外，從理論上講，在汽車做加速運動的時候，一開始由于扭矩保持在一定位置，其加速性能可以得到迅速的提高；而當扭矩降低后，其加速性能也會明顯降低。所以，在每分鐘4200轉之后，理論上斯柯達明銳1.8TSI的加速已經不像開始時那么明顯了。

每分鐘5000轉：

雖然發動機的扭矩在繼續下降，但轉速與功率卻在繼續提高。當發動機的轉速達到每分鐘5000轉的時候，其的功率達到了最高值，即118千瓦。在此之后，功率將保持在118千瓦的位置，不會隨著轉速的提高而提高了。這表示，發動機轉速的提高更多地是在維持斯柯達明銳1.8TSI在行駛時的速度，而不是提高速度了。

每分鐘6200轉：

當發動機的轉速達到每分鐘6200轉，其功率繼續保持在118千瓦，而扭矩則下降到70牛·米。除此之外，每分鐘6200轉的轉速，也說明了這款1.8升的發動機，其理論最高轉速為6200轉。