极速赛车手

仿　客

大轮毂、薄轮胎

我们在电影里看到，神奇赛车马赫5与普通车外形最大的不同之处是：拥有很大的轮毂以及很薄的车胎。一般车胎的厚度都超过10厘米，而赛车轮胎充其量只有几厘米，这种设计合理吗？

让我们回头想想车胎的作用吧。它相当于是赛车的鞋，是用来传递赛车与地面之间的力的——发动机的动力通过曲轴传到轮毂再传到车胎，再依靠车胎与地面的摩擦力的反作用力，推动赛车前行；地面的颠簸也先经过了车胎的缓冲才传到赛车。前者需要车胎既具有较好的刚性以迅速传递力量，又具有良好的抓地能力；而后者则要求车胎具有足够的弹性和缓冲能力。

当车胎由厚变薄，整体的刚性随之大幅度提高，力传递的效率也跟着变高，且只会略微影响抓地的能力，但缓冲能力则随之大幅度下降。权衡利弊，赛车所行驶的路面状况一般都很好，对车胎弹性、缓冲的要求并不高，而且车轮架的缓冲能力还能作为补充，相比之下，为了更高的速度而提高车胎刚性的需求更为迫切。因此竞速赛车都选用了很薄的车胎，并加大轮毂以保持车轮大小。

幽灵飘移

在电影开始不久，就是Speed驾驶着马赫5在赛道上狂飙的场景，云霄飞车般翻滚扭曲的赛道让马赫5的矫健身影变得更加诱人，而在弯道上横过车身的飘移所带来的尖锐的刹车声也很诱人。然而，电影中这种超炫的飘移转弯根本不对！

飘移是赛车中一种很重要的技法，几乎是汽车在高速行进中进行大弧度转弯的唯一途径，问题在于，当车身横过来的时候，车的前进速度是必然会下降的。

上期文章中说过，制约赛车速度的因素，一是质量二是阻力，而空气阻力无疑是各种阻力中最主要的。车的侧向风阻是正面的若干倍，而且车轮提供的动力不能分解到侧向，所以飘移转弯的时候，横过来的赛车必然有一个非常明显的减速，而这一点在电影中完全没有表现出来。

我们还可以用更加简单的方式来说明减速的问题，即用物理课上速度分解合成的知识来理解。我们假设有一辆车，以速度ν往正北走，然后突然要转向正东，那么它的速度变化是怎样的呢？其实就是向北的速度从ν降低到0，而向东的速度从0提高到ν。这个时候，单纯看向北的方向，就是一个完全的减速过程。这里是转直角弯的情况，改成其他角度道理也是一样的，只是稍微不那么明显而已。

那么，因为转弯而损失速度真的是不可避免的吗？未来有没有可能发明一种车，大弧度高速转弯也不会变慢呢？在牛顿力学体系下面，是不可能的。所以，我们要跳出牛顿力学体系……嗯，使用传说中的空间扭曲……

课堂总结展望

最后让我们以对未来赛车的畅想来结束本堂物理课吧！客观地说，如果还要使用车轮作为驱动，那么在以竞速为目的的场合下，F1赛车的车型已经几乎达到了极致，即使未来科技出现更大进步，这种构架、车型也不会有显著的变化。因为车轮的存在给赛车带来了很多的矛盾：必须保持车轮对地面的压力，否则就会打滑，然而压力太大又会导致阻力太大；高速运行中一种轮胎只能适应一种路面，但是即使是F1专用赛道上都会存在干湿两类路面；有弹性的轮胎才能有助于增大地面附着力以及缓解冲击，然而弹性会使大量的动能被消耗掉……F1几乎已经是这些矛盾博弈后的最佳产物了。

所以，如果要憧憬未来的赛车，首先就应该把带来诸多限制的车轮拿掉。而且，我们会发现不缺拿掉车轮后的技术储备：磁悬浮、气垫、地效应等等（地效应：又称地面效应、翼地效应，是飞行器在很接近地面时，突然获得很大的升力，同时诱导阻力大幅度减小的一种流体力学现象。前苏联及中国在此技术的研究使用上居世界领先，俄罗斯已经有成熟的地效军用运输机，中国的舰艇也有部分使用了地效应原理）。

只要解决了启动速度以及电能储存的问题，把磁悬浮小轿车开上铺了金属板的地面并非不可能；而气垫更是只需要解决噪音和空气泵的效率这两个问题——现在我们的气垫船都已经可以开上公路了；只有地效应在小型化的道路上有诸多不便，但也可以作为重型高速运载的一个重要技术补充。

是的，未来将是飞车的时代。所以，也许未来某一天，我们将在空中的Fx赛车看台，欣赏只有几个小小的辅助车轮的赛车凌空飞过，快如闪电。

上期答案：电影中的情况是不现实的。除非关掉发动机，否则赛车不可能如此陀螺式向前运动；另外，由于赛车在旋转时受到的阻力不断变化，长度方向上受到的阻力最小，也不可能像陀螺一样旋转得均匀流畅；最后，只有当四个车轮全都打滑，才能陀螺式前进。

在电影中，漂亮的女技术员告诉Speed，在车轮上使用金属齿可以让他的赛车在任何路况下随意通行，这可能吗？为什么？答案寄至《中学科技》编辑部，欢迎你的参与！