操控是人類與慣性之間的一場撕逼|東八物理課

為什麼車會甩尾推頭?為什麼保時捷911失控後會倒車?是時候把還給物理老師的東西拿回來了。

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上回跟大家掰扯了一下前後軸重量比的事兒。無論是寶馬的50:50的佈局,還是超跑們那種屁股比頭沉的設定,歸根到底都是在操控性層面上對車輛結構進行優化設計(《50:50,到底圖個啥?》)。那麼,是什麼讓重量分佈變得這麼重要?

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慣性是何方神聖

我們第一次見到慣性(Inertia)這個詞的時候,大概是在中學物理課本里,那時候我們認識了理科生的噩夢—牛頓。這位靠蘋果出名的大神提出了三大定律,打頭陣的就是慣性定律。

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牛頓第一定律(慣性定律、惰性定律):任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態,直到外力迫使它改變運動狀態為止。簡單點說,就是:

一個東西動起來了就懶得停下來,停下來了就懶得動。

牛頓又用三大定律中的第二定律告訴我們,物體加速度的大小跟作用力成正比,跟物體的質量成反比,且與物體質量的倒數成正比;加速度的方向跟作用力的方向相同。換成人話:一個東西越沉,它的運動狀態就越難被改變。

也就是說,慣性就是一個物體維持其自身運動狀態的能力,是物體的固有屬性。隨著物體質量的增加,慣性產生的效果越發明顯,也需要施加更大的力才能改變它的運動狀態。

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舉幾個栗子

回到開頭的話題。一輛車的前後重量如何分佈,決定了慣性將如何影響這輛車的運動狀態。理解了慣性是啥,很多現象就能想明白了。

先來說說轉向不足和轉向過度。這裡為了方便大家理解,我們把一輛車的所有重量簡化成兩部分,分別壓在前軸和後軸上,就像一個啞鈴。

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現在請大家進入YY狀態。一輛車勻速直線行駛,即將通過一個彎道,然後前輪轉向,開始入彎。這時,如果前輪產生的橫向力不夠大,沒法把車頭部分的重量拽向出彎的方向,車輛就會因為慣性而維持入彎前的運動軌跡,然後,順利衝出路面,轉向不足,推頭。

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再來看轉向過度。同樣是直線行駛,轉向,這次前輪給力了,車頭在前輪的帶動下開始改變原有運動軌跡,但後輪沒撐住,失去抓地力,車尾的重量瞬間像脫韁的野馬,擺脫束縛,最後轉向過度,甩尾。

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如果車尾重量超過車頭太多,比如發動機後置的911,甩尾失控時就會發生下面的情況。

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重量轉移也是大家比較常見的一個詞彙,但事實上,這個概念並不是字面上說的重量發生移動,因為車上的大部分重量還待在原來的位置(車內各種液體的移動確實屬於重量轉移,但大部分情況下,它們的動作影響不會太大)。重量轉移其實是重量在慣性作用下產生的一種惰性效果。也就是前面說的,動起來就懶得停,停下來就懶得動。

在車身產生動態變化的時候,無論是加速、減速還是轉向,車身的一部分(通常是上半部分)會因為慣性而產生的短暫滯留。相對於已經開始運動的其他部分,這塊滯留的部分在反向運動,然後會在其運動方向上產生一定的壓力,從而影響其他結構的受力情況。最終,這股無形的力量會通過懸掛系統傳遞到輪胎上,造成輪胎載荷的變化,從而對抓地力造成相應的影響。所以說,把“重量轉移”換成“載荷轉移”會更貼切一點。

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急加速時,驅動輪帶動車輛下部的重量向前快速移動,但車身上部的重量由於惰性,賴著不走,產生一個向後的運動趨勢,將車身前部抬起,同時將後部壓低。

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如果動力過於強大的話,就會這樣。

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剎車時的情況跟加速正好相反,車身前部下壓,後部被抬起,呈現點頭的姿態。

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嗯,如果剎車太給力.......

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過彎時,重量在慣性的作用下向外側移動,帶動車身發生偏移,最終導致車輛側傾。

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補充一下,上面所提到的車身動態,無論是推頭、甩尾,還是車身的上下左右晃動(尤其是大幅度的起步翹頭),慣性只是誘因之一,還有一個原因是因為力矩的存在,這一點我們以後細講。

操控與慣性的關係

我們通常所說的操控性,指的是駕駛員對一輛車的控制難度,也就是人車合一的難度。而一輛車的過彎能力,則是衡量操控性好壞的重要標準之一。

各大汽車賽事中,除了拉力賽和漂移賽,大部分賽車都是以緊貼路面的姿態快速通過每個彎角。在這個過程中,車手要使出渾身解數來發揮賽車的最大性能,榨取四條輪胎的每一點抓地力,一旦發生輪胎過度打滑,那麼甩尾,推頭將接踵而至。

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而他們真正的敵人,就是慣性。

因為慣性,工程師不得不在車輛調教上絞盡腦汁,為的是讓輪胎緊貼地面;因為慣性,車手的身體不得不頻繁承受常人難以想象的G值。

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但凡事無絕對,慣性也並非一無是處,不然我們的AE86也不會風光無限。

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傳統的抓地跑法一直在與與慣性作鬥爭,但拉力賽和近幾年興起的漂移比賽卻對慣性敞開懷抱,甚至到了依賴的程度。為啥呢?我將在以後的漂移專題中解答這個問題!


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