扭矩是個(gè)啥玩意兒

買車的時(shí)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(tīng)眾的你們，有多少人知道這個(gè)扭矩到底是個(gè)啥玩意兒?有的人說(shuō)：扭矩是讓物體旋轉(zhuǎn)的力：有的人說(shuō)：扭矩越大汽車的性能越好：還有的人說(shuō)：扭矩是個(gè)虛擬的物理量……面對(duì)如此之多的說(shuō)法《Geek》發(fā)現(xiàn)幾乎沒(méi)有人能夠完完整整將扭矩是什么告訴我們，扭矩究竟是個(gè)啥玩意兒?對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)谥袑W(xué)的物理教材上發(fā)現(xiàn)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(duì)于這樣一句簡(jiǎn)單得不能再簡(jiǎn)單的解釋，《Geek》相信大多數(shù)朋友看了腦中還是一團(tuán)霧水，既然教材解決不了這個(gè)問(wèn)題，那么現(xiàn)在《Geek》就來(lái)講講扭矩是個(gè)啥玩意兒。

扭矩的定義

通過(guò)中學(xué)物理教材上對(duì)扭矩的定義我們已經(jīng)知道，扭矩其實(shí)就是力矩。在物理學(xué)中，力矩是一個(gè)可以被理解為旋轉(zhuǎn)力或角力的物理量，可以導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的改變。但是請(qǐng)各位朋友注意在這條定義中的“理解”二字，無(wú)論是扭矩還是力矩，它們都是只能被理解為力，實(shí)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(gè)問(wèn)題，我們必須從扭矩的歷史講起。

地球上最早對(duì)扭矩這個(gè)物理量產(chǎn)生興趣的人，就是那個(gè)因?yàn)楦吆簟坝壤锟ā笨谔?hào)的舉世聞名的裸奔者——阿基米德。他通過(guò)對(duì)杠桿的研究，將杠桿分為3個(gè)組成部分，分別是支點(diǎn)、動(dòng)力臂與抗力臂。所謂的支點(diǎn)，其實(shí)就是杠桿繞著轉(zhuǎn)動(dòng)的固定點(diǎn)。而動(dòng)力臂則是因?yàn)橥苿?dòng)杠桿運(yùn)動(dòng)的力叫做動(dòng)力，所以支點(diǎn)到動(dòng)力作用線之間的距離叫做動(dòng)力臂：與之相對(duì)，抗力則是阻礙杠桿運(yùn)動(dòng)的力，支點(diǎn)到抗力作用線之間的距離叫做抗力臂。阿基米德在研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為杠桿處于靜止或勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，該杠桿就處于平衡狀態(tài)。經(jīng)過(guò)研究它得出結(jié)論：要讓杠桿處于平衡狀態(tài)，必須滿足“動(dòng)力臂×動(dòng)力=抗力臂×抗力”這個(gè)條件。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，在一條長(zhǎng)10米的杠桿上，杠桿的左端掛有一個(gè)質(zhì)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(gè)質(zhì)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(dòng)力與抗力，如果要讓杠桿處于平衡狀態(tài)，那么它的支點(diǎn)必須設(shè)置在距左端6米的地方。這是因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)杠桿的平衡狀態(tài)，就必須滿足動(dòng)力臂×動(dòng)力=抗力臂×抗力這個(gè)條件，即6米×39.2牛=4米×58.8牛。通過(guò)這個(gè)例子各位朋友是不是覺(jué)得有些眼熟?沒(méi)有錯(cuò)，動(dòng)力臂×動(dòng)力=抗力臂×抗力其實(shí)就是這條杠桿的力矩，也就是它的扭矩。也正因?yàn)榘⒒椎聦?duì)杠桿的研究，后來(lái)人們將扭矩用希臘字母T表示。另外，當(dāng)杠桿處于平衡狀態(tài)時(shí)，動(dòng)力與抗力都與杠桿保持垂直，所以扭矩被定義為杠桿端點(diǎn)到支點(diǎn)的距離乘以于杠桿端點(diǎn)垂直的力。由于杠桿的平衡狀態(tài)也可以是勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以扭矩也可以被表述為物體上某一點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心的距離乘以這一點(diǎn)上垂直方向的力。

扭矩的單位

通過(guò)對(duì)杠桿的分析，我們已經(jīng)知道扭矩的定義了?？煞浅Ｆ婀值氖?，根據(jù)前面我們對(duì)扭矩的定義，它的單位應(yīng)該為距離×力，即“米·?！?，可為什么我們看到的單位大多為“牛·米”呢?對(duì)于扭矩的單位中距離與力的次序，雖然根據(jù)數(shù)學(xué)原理是可以進(jìn)行互換的，但是互換后單位的含義就會(huì)發(fā)生改變，這樣的單位明顯是錯(cuò)誤的。既然如此，我們?yōu)槭裁催€要堅(jiān)持使用“?！っ住边@樣的錯(cuò)誤單位呢?其實(shí)，對(duì)于這個(gè)錯(cuò)誤，其實(shí)人為造成的——罪魁禍?zhǔn)拙褪菄?guó)際重量測(cè)量局(Bureau Inlernational des Poids e Mesures)在制定國(guó)際單位時(shí)，強(qiáng)制規(guī)定在扭矩的單位中距離與力的次序?yàn)椤芭！っ住薄＜热挥羞@樣的規(guī)定，從此以后“牛·米”這個(gè)錯(cuò)誤的單位開(kāi)始就被人們使用，時(shí)間一長(zhǎng)也就習(xí)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“?！っ住边@個(gè)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(shí)是“?！っ住钡淖冃巍，F(xiàn)在，我們先從“?！っ住敝械牧θ耸诌M(jìn)行換算。我們知道重力與質(zhì)量是可以進(jìn)行換算的，一般而言，質(zhì)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(shuō)質(zhì)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(gè)單位進(jìn)行換算后即可得出1?！っ椎扔?.72磅英尺。

扭矩的方向

在用右手定則確定扭矩的方向時(shí)，請(qǐng)一定要將手懸空，否則與一些高速度旋轉(zhuǎn)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(xié)調(diào)配合做許多事情，甚至包括發(fā)生超友誼的關(guān)系。可是在物理學(xué)中，右手的作用可比左手大多了——根據(jù)右手定則，我們不僅可以用它來(lái)確定磁場(chǎng)的方向，而且我們還可以用它來(lái)確定扭矩的方向。對(duì)于一個(gè)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的方向?qū)⑿D(zhuǎn)的物體的中心軸懸空握住，此時(shí)拇指對(duì)應(yīng)的方向就是扭矩的方向。既然我們可以通過(guò)右手定則，根據(jù)物體旋轉(zhuǎn)的方向來(lái)確認(rèn)扭矩的方向，那么改變扭矩的方向是可以改變物體旋轉(zhuǎn)的方向。在汽車倒車的時(shí)候，是否就是通過(guò)改變扭矩的方向來(lái)實(shí)現(xiàn)的呢?答案當(dāng)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(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)方向，最后通過(guò)主減速器帶動(dòng)車輪實(shí)現(xiàn)倒車的。而在這一系列過(guò)程中，扭矩的方向是沒(méi)有被改變的。在實(shí)際應(yīng)用中，有沒(méi)有例子是通過(guò)改變扭矩的方向?qū)崿F(xiàn)改變物體旋轉(zhuǎn)的方向呢?答案是肯定的，如曾經(jīng)在地球上廣泛應(yīng)用的蒸汽機(jī)車就是其中之一。對(duì)于蒸汽機(jī)車而言，活塞始終做著相同的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，要改變扭矩的方向只能通過(guò)與活塞連接的平行四邊形連桿來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)改變主動(dòng)輪上扭矩的方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了改變主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)的方向，這樣就達(dá)到了倒車的目的。

功率、轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系

對(duì)于汽車愛(ài)好者或者準(zhǔn)備買車的朋友，在4S店經(jīng)?？梢钥吹竭@樣的現(xiàn)象：那些雙眼冒著“$”的銷售代表總是通過(guò)我們的耳朵，向我們反復(fù)灌輸某款汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)的功率是多少、轉(zhuǎn)速是多少、扭矩又是多少?？墒亲屑?xì)一問(wèn)，大多數(shù)銷售代表只能含糊其辭，告訴我們這3個(gè)參數(shù)越大，汽車的性能越好。對(duì)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(huì)對(duì)它信以為真的。其實(shí)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速與扭矩這3個(gè)參數(shù)，它們是相互關(guān)聯(lián)的。下面《Geek》就準(zhǔn)備好好來(lái)說(shuō)說(shuō)。

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：騎自行車的經(jīng)驗(yàn)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(diào)節(jié)自行車的變速比的情況下，多蹬踏踏板幾圈就行了。當(dāng)然，這個(gè)時(shí)候身體的運(yùn)動(dòng)量就會(huì)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(fā)動(dòng)機(jī)。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(guò)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般而言，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速是成正比的，轉(zhuǎn)速越高，功率越大。由此可見(jiàn)，汽車的加速性能是由發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)

速與功率來(lái)確定的。

現(xiàn)在你騎著自行車經(jīng)過(guò)了平坦的道路，前面有一段長(zhǎng)上坡的道路。那么你在騎行的時(shí)候，肯定會(huì)感覺(jué)到身體的負(fù)荷越來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)。由于自行車的踏板通過(guò)曲柄繞中軸旋轉(zhuǎn)，這就相當(dāng)于力臂是固定不變的，你花大力氣蹬踏踏板，其實(shí)就相當(dāng)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩。另外，由于你多蹬踏踏板幾圈，在提高扭矩的同時(shí)，相當(dāng)于還提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與功率。由此可見(jiàn)，汽車的爬坡性能是由發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速與功率共同確定的。

現(xiàn)在，通過(guò)上面兩個(gè)例子，我們已經(jīng)知道了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速與扭矩這3個(gè)參數(shù)的關(guān)系。所以，各位朋友在購(gòu)買汽車的時(shí)候，千萬(wàn)不要被那些銷售代表忽悠了。不能單獨(dú)看發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速與扭矩這3個(gè)參數(shù)，而必須將它們聯(lián)系起來(lái)分析。

看懂發(fā)動(dòng)機(jī)工況圖

既然要將發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速與扭矩這3個(gè)參數(shù)聯(lián)系起來(lái)分析，那么我們就不得不用到發(fā)動(dòng)機(jī)工況圖。通常情況下，汽車廠商會(huì)都提供張發(fā)動(dòng)機(jī)工況圖。在這張圖上，通過(guò)直角坐標(biāo)系表明了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速與扭矩這3個(gè)參數(shù)。由于，圖中會(huì)分別用兩條不同的曲線來(lái)表示發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與扭矩，所以直角坐標(biāo)系中的x軸代表了發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，而Y軸則代表了發(fā)動(dòng)機(jī)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(ài)車斯柯達(dá)明銳1.8TSI為例子，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)工況圖向各位朋友解釋說(shuō)明。

每分鐘1000轉(zhuǎn)：

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，首先讓這款1.8升的發(fā)動(dòng)機(jī)的處于怠速狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速為每分鐘1000轉(zhuǎn)，而扭矩與功率分別為165?！っ着c40千瓦。

每分鐘1500轉(zhuǎn)：

當(dāng)你踏下油門踏板是時(shí)候，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為每分鐘1500轉(zhuǎn)的時(shí)候，其扭矩就達(dá)到了250?！っ?。在此之后，轉(zhuǎn)速與功率的提高理論上是成正比的，這說(shuō)明斯柯達(dá)明銳1.8TSI處于正常的加速狀態(tài)。

每分鐘3800轉(zhuǎn)：

雖然發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高，但扭矩卻一直保持在250牛·米的位置。另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率卻與轉(zhuǎn)速成正比提高，在轉(zhuǎn)速為每分鐘3800轉(zhuǎn)的時(shí)候，代表發(fā)動(dòng)機(jī)功率的曲線與代表扭矩的曲線相交。這時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率為100千瓦，扭矩為250?！っ住：?jiǎn)而言之，當(dāng)老妖通過(guò)油門踏板將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在每分鐘3800轉(zhuǎn)的時(shí)候，這款TSI發(fā)動(dòng)機(jī)正好可以發(fā)揮出最佳經(jīng)濟(jì)性能。

每分鐘4200轉(zhuǎn)：

在發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘4200轉(zhuǎn)之后，扭矩從250?！っ椎奈恢瞄_(kāi)始呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。因此，250?！っ拙褪沁@款1.8升發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩。另外，從理論上講，在汽車做加速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，一開(kāi)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(dāng)扭矩降低后，其加速性能也會(huì)明顯降低。所以，在每分鐘4200轉(zhuǎn)之后，理論上斯柯達(dá)明銳1.8TSI的加速已經(jīng)不像開(kāi)始時(shí)那么明顯了。

每分鐘5000轉(zhuǎn)：

雖然發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩在繼續(xù)下降，但轉(zhuǎn)速與功率卻在繼續(xù)提高。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘5000轉(zhuǎn)的時(shí)候，其的功率達(dá)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(huì)隨著轉(zhuǎn)速的提高而提高了。這表示，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高更多地是在維持斯柯達(dá)明銳1.8TSI在行駛時(shí)的速度，而不是提高速度了。

每分鐘6200轉(zhuǎn)：

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘6200轉(zhuǎn)，其功率繼續(xù)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(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，也說(shuō)明了這款1.8升的發(fā)動(dòng)機(jī)，其理論最高轉(zhuǎn)速為6200轉(zhuǎn)。