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[其他相关] 如何使用力学原理来学车?

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发表于 2022-10-14 13:21 | 显示全部楼层 |阅读模式

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冬冬最近在学车,考科目二时只需要用刹车与离合,练熟后一次便过了。但是来到科目三,加入了油门与换档,冬冬不熟练,刹完车起步时没有降档,总是搞得车子熄火。于是发动机的火转移成了冬冬心里的恼火。但是力学人怎么会被这一点小困难打倒,弄清其中熄火原理便是他攻克科三的第一步。

实际过程中,汽车的发动机是非常复杂的。为了简化问题,我们可以以一个类似工作原理的四冲程内燃机为例分析。活塞在汽缸内往复运动时,从汽缸的一端运动到另一端的过程,叫做一个冲程。四个冲程指的是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。
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吸气冲程
在吸气冲程中,进气门打开,排气门关闭,汽油与空气混合物进入气缸,如图甲所示,活塞从上往下运动,曲柄转180度。

压缩冲程
在压缩冲程中,进气门与排气门都关闭活塞向上运动汽油与空气混合物被压缩,机械能转化储存为内能,曲柄转180度。

做功冲程
做功冲程中,火花塞点火,使得汽油猛烈燃烧,在气缸里产生高温高压气体,从而推动活塞向下运动,曲柄再转180度。

排气冲程
排气冲程中进气门关闭,排气门打开,活塞向上运动,把废气排出气缸,曲柄再转180度。

在四个冲程中,只有做功冲程是是对外的做功的,其余三个冲程都是靠做功冲程把内能转化为机械能的惯性完成的。四个冲程往复循环便构成了内燃机向外输出机械能的工作过程。

那为什么会造成熄火呢?

根本原因其实就是外界阻力过大。我们可以简单认为内燃机曲柄有个工作转速,当转速过低时空气进出不及时,燃料不能充分燃烧,内燃机无法有效顺利完成四个冲程,也就停止运转了。

而离合器是控制发动机动力传输给车轮的开关,它从开到关两种状态之间变化时,不是向电路那样跳跃式的,而是可以根据离合器松的程度在0到1之间连续变化。

这样我们就可以解释科目三常见的熄火原因了。首先我们知道点火时是需要挂空挡的,如果点火时发动机有档位,由于汽车处于静止状态,使车轮突然转动需要提供一个很大的扭矩,于是发动机便熄火了。同理起步的时候,也需要缓慢抬起离合,慢慢去感受离合器松起时汽车的“抖动”状态,如果抬得过快,使汽车突然有个大的扭矩,发动机熄火,不止科目三,科目二也会挂。转弯或者红绿灯减速后,如果忘记降档,后续又直接二档或三档起步,由于高档位给车轮的转速更高,即便是缓慢抬起离合器的过程,发动机需要提供的扭矩还是过大,转速仍然小于正常工作的阈值,于是也就熄火了。同样的如果带着手刹,发动机旋转也会受到阻碍而熄火,因此我们只要牢记不要让发动机在运转时受到过大的外界阻力即不会熄火。
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摸了几次车后,冬冬还看起了F1比赛,他发现车手在过弯时通常会选择“外内外”的方式,这是因为在车子进行曲线运动时,地面的摩擦力提供向心力,由公式:
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尽管我们可以通过加尾翼等方式来增加下压力,但行驶时摩擦力通常差不多为定值,因此为了提高过弯速度v,增加曲线的曲率半径ρ便是一个很好的方式,因此如果只是沿着内圈走最短路径则会减小曲率半径,在过弯时损失速度;而如果沿着“外内外”走线,便可充分利用赛道宽度提升自己的过弯速度。
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在力学原理的帮助下,冬冬第二次科三很顺利的一把过了,再也没有出现熄火的情况。如果大家在生活中遇到什么困难,不妨也试试用力学知识去分析分析吧!

参考文献
https://baike.baidu.com/item/%E5 ... /6550907?fr=aladdin

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