现代汽车的物理原理

马斯萌

摘 要：汽车作为一种常见的交通工具，与我们的生活密切相关。汽车的普及为人类节省时间，提高工作效率，方便出游，丰富生活，促进经济的发展。汽车虽然与我们的距离很近，司空见惯。但我们对它却又不甚了解，其实汽车的构造来源于生活，却又高于生活，汽车的工作原理来源于物理，却又不限于物理。本文主要对四冲程发动机原理的解释及对其热损的探究和对扰流板的介绍及其对于现代汽车的必要性。

关键词：物理；汽车；内燃机；扰流板

自1885年德国人卡尔.本茨研制出世界上第一辆马车式三轮汽车，为现代汽车奠定基本雏形以来，“汽车”作为第二次工业革命最伟大的成果之一，凭借其优异于马车、电动车的性能及其广阔的发展前景，一直为历代机械发烧友所追捧并日趋平民化、大众化，逐渐走入我们日常的生活。我们可将其视为一个运输工具、一种财富象征，亦可把它看作一件集各项科技成就于一体的艺术品，一个饱含物理原理的宝库。

一、现代家用轿车四冲程发动机原理的解释及对其热损的探究

当我们谈到一款车时，不可避免地要对其动力部分探讨一番，但我们对动力组成的核心——发动机又了解多少呢？现代家用轿车的引擎属于内燃机的一种，与其相对的是外燃机，由燃料的燃烧做功位置而区分。通过燃料不同可分为汽油机、柴油机等等，依照做功过程又分为双冲程、四冲程，本次我们只探讨四冲程汽油内燃机主要组成部件和工作原理。

现代家用轿车大多使用的四冲程发动机，最早由“德国著名发明家奥古斯特.奥托所设计制造，故四冲程引擎做功过程又称“奥托循环”。所谓四冲程则是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。连杆与火花塞在气缸内每向上或向下运动一次叫作一个冲程。

顾名思义，吸气冲程时进气门打开，排气门关闭，轮轴带动去曲轴转动，曲轴又使得连杆和活塞向下运动，气缸内体积减小，由波马定律PV=C（T恒定）可得：P

根据开尔文对热力学第二定律的表述：“不可能从单一热库吸收热量，使之完成功而不产生其他影响”，任何热机都会有能量损失，只是其损失量大小和损失途径不同而已。关于此热机的能量损失，由于做功和压缩冲程都是在密闭环境下完成，所以对缸体的气密性是一个很大的考验。如果燃气不能很好地密闭在气缸内，漏出气体既是对燃料的浪费也会平添一份缸外爆炸的危险，更不能很好的推动活塞做功。所以，既能很好的密封气体又有足够强度不发生形变的活塞和气阀是现今汽车发展的一大瓶颈。同时，为了使缸内近乎“爆炸”的做工过程，汽车厂家不得不采用坚固的金属材料作为发动机主体，但因金属有良好的导热性，膨胀的气体未等做功就将内能丧失了大半，实际用来汽车前进的能量只占20%左右。究竟怎样设计，运用什么样的材料，才能使燃机的效率提高，也是研究人员很头疼的问题。

二、扰流板的介绍及其对于现代汽车的必要性

相信每个男孩都有或有过一个赛车梦，而我们对赛车的定义之一就是要有一个帅气、动感的外形。但汽车工程师们将赛车线条勾勒得如此完美可不仅仅是因为好看，更有丰富的空气物理学原理蕴藏其中。在此我们对影响汽车外形的扰流板工作原理，进行下简要分析。

汽车扰流板按照其部位分为前、中、后三类，位于车头下半部分的称为“气坝”，部分跑车还会在前轮的后方加装叫作“侧裙”的侧扰流板，以及我们常见的后扰流板——尾翼。那么这些极富线条美的部件是如何在车辆行驶过程中发挥作用的呢？

你也许会注意到许多赛车电影中的主角，总是喜欢在自己的爱车前部加上一圈很像“口罩”的东西，这就是汽车前扰流板，被形象地称为“风坝”。由于前文中提到的氣体穿过汽车底部会产生向上的“升力”，所以利用前气坝对空气的阻挡，可有效减少进入底部的气体，从而使车辆的行驶更加安全、平稳。不难理解，当气流从高速行驶中汽车的前部穿下时，也同时会从侧部流入。原理和前气坝相似，“侧裙”就像一对在车辆侧面的“气坝”对斜向进入车底的气流进行干扰或引导其向尾部流去。

“尾翼”的设计原理稍有不同，但目的也是让汽车尽可能地贴地行驶。与飞机机翼的原理类似，但造成工匠们将上下面对调，即顶部较平而底部弯曲，这样就产生了与升力相反的效果。由于上下表面的气体压力差，尾翼所在受到的合力向下，也就是压紧了汽车，而且这个差值随车速上升而增大，跑得越快，压得越紧，汽车的抓地性也越好。如果在车前也加装上类似的装置，就有了F1方程式赛车的样子，所以F1比赛用车能以高于民用轿车几倍的速度平稳行驶，便不足为奇了。加装置扰流板能使得汽车外形更加灵动、紧凑，又满足了发烧友们安全完成各项特技动作的需要，可谓科学来源于实践，又应用于实践的一个很好范例。

相信有探究精神的朋友，在读到此处时心中又被一个问题所困扰：常识告诉我们要想跑得快就要减小阻力，而越接近流线型的物体阻力越小，像海豚、金雕，它们的外形都是很平滑的呀！而你这样前凸一块、后冒一块的，稳定性是高了，可增大的油耗也不小啊！风阻与速度的平方成正比，当汽车高速行驶时，这阻力就更加明显而不可被忽视了呀！那么事实真的是这样的吗？

其实，现实情况正与我们的猜测相反，汽车在行驶过程中会受到纵向、侧向、垂直三个方向的风阻，其中起主要影响的是垂直上升的这一部分。汽车工程师们通过一次次的计算与实践，将扰流宽度与车宽完美配合起来，使得纵向风阻大大减小。垂直上升的气体升力会使汽车在高速行驶状态下出现抓地不牢甚至空转的现象，对燃料造成了很大的浪费。而加装扰流板后会使汽车行驶更加平稳省油。值得注意的是，所有这一切都是基于汽车高速行驶的前提下提出的，根据奥迪公司的风洞实验，车型不同抗阻系数也不一样，气体的影响当车速超过60Km/h时才值得被注意，甚至可以达到节省10%～15%的燃油消耗，而对于低速行驶的车辆并无太大影响。所以，如果你只是一个每天车程不超半小时的上班族，加装尾翼除了会让你的爱车更炫酷一点，还会让你每月多花几百块油费为其埋单。

三、结语

对于一台车，你可以将其看作一件工具，一个钱包、钥匙、手机一样的生活必须品，当选购它时可以完全依靠价位和品牌来判定好坏，当出故障时，完全可以将其停到修理厂。但这都不是一个有思想的人会去做的，他们会从一部车的背后看到的是无数研发团队和科学家所不懈努力的结晶。当他们选购车时会将各个参数逐一比对，不放过每个细节，出现小毛病时会先翻出说明书自己研究一番，生活中的乐趣远不止于享受，能想明白周围事物的道理从而应用，往往能使得我们的内心得到更大满足！