扭矩是个啥玩意儿

买车的时候，销售人员总是告诉你这车排量是多少，功率是多少，扭矩是多少，可作为听众的你们，有多少人知道这个扭矩到底是个啥玩意儿?有的人说：扭矩是让物体旋转的力：有的人说：扭矩越大汽车的性能越好：还有的人说：扭矩是个虚拟的物理量……面对如此之多的说法《Geek》发现几乎没有人能够完完整整将扭矩是什么告诉我们，扭矩究竟是个啥玩意儿?对于这个问题，我们在中学的物理教材上发现了它的定义：扭矩就是力矩的大小，等于力臂与力的乘积但是，对于这样一句简单得不能再简单的解释，《Geek》相信大多数朋友看了脑中还是一团雾水，既然教材解决不了这个问题，那么现在《Geek》就来讲讲扭矩是个啥玩意儿。

扭矩的定义

通过中学物理教材上对扭矩的定义我们已经知道，扭矩其实就是力矩。在物理学中，力矩是一个可以被理解为旋转力或角力的物理量，可以导致旋转运动的改变。但是请各位朋友注意在这条定义中的“理解”二字，无论是扭矩还是力矩，它们都是只能被理解为力，实际上它们并不是力。既然扭矩不是力，那么它又是什么呢?要回答这个问题，我们必须从扭矩的历史讲起。

地球上最早对扭矩这个物理量产生兴趣的人，就是那个因为高呼“尤里卡”口号的举世闻名的裸奔者——阿基米德。他通过对杠杆的研究，将杠杆分为3个组成部分，分别是支点、动力臂与抗力臂。所谓的支点，其实就是杠杆绕着转动的固定点。而动力臂则是因为推动杠杆运动的力叫做动力，所以支点到动力作用线之间的距离叫做动力臂：与之相对，抗力则是阻碍杠杆运动的力，支点到抗力作用线之间的距离叫做抗力臂。阿基米德在研究时发现，认为杠杆处于静止或匀速旋转时，该杠杆就处于平衡状态。经过研究它得出结论：要让杠杆处于平衡状态，必须满足“动力臂×动力=抗力臂×抗力”这个条件。举个简单的例子，在一条长10米的杠杆上，杠杆的左端挂有一个质量为4公斤的物体，其重力为9.8×4=39.2牛：而在杠杆的另一端则挂有个质量为6公斤的物体，其重力为9.8×6=58.8牛。在这条杠杆上左右两端物体的重力互为动力与抗力，如果要让杠杆处于平衡状态，那么它的支点必须设置在距左端6米的地方。这是因为要实现杠杆的平衡状态，就必须满足动力臂×动力=抗力臂×抗力这个条件，即6米×39.2牛=4米×58.8牛。通过这个例子各位朋友是不是觉得有些眼熟?没有错，动力臂×动力=抗力臂×抗力其实就是这条杠杆的力矩，也就是它的扭矩。也正因为阿基米德对杠杆的研究，后来人们将扭矩用希腊字母T表示。另外，当杠杆处于平衡状态时，动力与抗力都与杠杆保持垂直，所以扭矩被定义为杠杆端点到支点的距离乘以于杠杆端点垂直的力。由于杠杆的平衡状态也可以是匀速旋转运动，所以扭矩也可以被表述为物体上某一点到旋转中心的距离乘以这一点上垂直方向的力。

扭矩的单位

通过对杠杆的分析，我们已经知道扭矩的定义了。可非常奇怪的是，根据前面我们对扭矩的定义，它的单位应该为距离×力，即“米·牛”，可为什么我们看到的单位大多为“牛·米”呢?对于扭矩的单位中距离与力的次序，虽然根据数学原理是可以进行互换的，但是互换后单位的含义就会发生改变，这样的单位明显是错误的。既然如此，我们为什么还要坚持使用“牛·米”这样的错误单位呢?其实，对于这个错误，其实人为造成的——罪魁祸首就是国际重量测量局(Bureau Inlernational des Poids e Mesures)在制定国际单位时，强制规定在扭矩的单位中距离与力的次序为“牛·米”。既然有这样的规定，从此以后“牛·米”这个错误的单位开始就被人们使用，时间一长也就习惯了。而扭矩的定义一般也就被表述为：扭矩就是力矩的大小，等于力与力臂的乘积。除了“牛·米”这个大家常用扭矩的单位之外，在地球上的许多地方，特别是在欧洲与北美洲扭矩还有另外一种单位——“磅·英尺”(或者磅·英寸)。这一单位其实是“牛·米”的变形。现在，我们先从“牛·米”中的力人手进行换算。我们知道重力与质量是可以进行换算的，一般而言，质量为1公斤的物体，其重力为9.8牛：而1公斤约等于2.20磅，也就是说质量为1磅的物体，重力约等于4.54牛。1米约等于3.28英尺，所以将两个单位进行换算后即可得出1牛·米等于0.72磅英尺。

扭矩的方向

在用右手定则确定扭矩的方向时，请一定要将手悬空，否则与一些高速度旋转的物体接触，你的右手因此而被废掉《Geek》可帮不了你。

在生活中，我们相信许多朋友都可以左右手协调配合做许多事情，甚至包括发生超友谊的关系。可是在物理学中，右手的作用可比左手大多了——根据右手定则，我们不仅可以用它来确定磁场的方向，而且我们还可以用它来确定扭矩的方向。对于一个旋转的物体，我们伸出右手，四指并拢，在拇指与四指形成大致的直角之后，将四指顺着扭转的方向将旋转的物体的中心轴悬空握住，此时拇指对应的方向就是扭矩的方向。既然我们可以通过右手定则，根据物体旋转的方向来确认扭矩的方向，那么改变扭矩的方向是可以改变物体旋转的方向。在汽车倒车的时候，是否就是通过改变扭矩的方向来实现的呢?答案当然不是这样的，在汽车上，扭矩是由飞轮传递到变速箱，再由变速箱中的齿轮组改变传动轴的旋转方向，最后通过主减速器带动车轮实现倒车的。而在这一系列过程中，扭矩的方向是没有被改变的。在实际应用中，有没有例子是通过改变扭矩的方向实现改变物体旋转的方向呢?答案是肯定的，如曾经在地球上广泛应用的蒸汽机车就是其中之一。对于蒸汽机车而言，活塞始终做着相同的往复运动，要改变扭矩的方向只能通过与活塞连接的平行四边形连杆来实现。通过改变主动轮上扭矩的方向，进而实现了改变主动轮旋转的方向，这样就达到了倒车的目的。

功率、转速与扭矩的关系

对于汽车爱好者或者准备买车的朋友，在4S店经常可以看到这样的现象：那些双眼冒着“$”的销售代表总是通过我们的耳朵，向我们反复灌输某款汽车的发动机的功率是多少、转速是多少、扭矩又是多少。可是仔细一问，大多数销售代表只能含糊其辞，告诉我们这3个参数越大，汽车的性能越好。对于这样的回答，只要稍微有些怀疑精神，我们相信各位朋友是不会对它信以为真的。其实，对于发动机的功率、转速与扭矩这3个参数，它们是相互关联的。下面《Geek》就准备好好来说说。

举个简单的例子：骑自行车的经验各位朋友都还有吧。在平坦的道路上骑车，你要提高骑行速度，在不调节自行车的变速比的情况下，多蹬踏踏板几圈就行了。当然，这个时候身体的运动量就会上升。如果我们将自行车看作汽车，那么你的身体便是汽车中的发动机。想要让汽车获得更快的速度，在变速箱档位不变的情况下，就必须通过提高发动机的功率与转速来实现。一般而言，发动机的功率与转速是成正比的，转速越高，功率越大。由此可见，汽车的加速性能是由发动机的转

速与功率来确定的。

现在你骑着自行车经过了平坦的道路，前面有一段长上坡的道路。那么你在骑行的时候，肯定会感觉到身体的负荷越来越大，而你蹬踏的速度也随之下降低，为了保证骑行速度，你只有花上大力气多蹬踏踏板几圈来实现。由于自行车的踏板通过曲柄绕中轴旋转，这就相当于力臂是固定不变的，你花大力气蹬踏踏板，其实就相当于提高发动机的扭矩。另外，由于你多蹬踏踏板几圈，在提高扭矩的同时，相当于还提高了发动机的转速与功率。由此可见，汽车的爬坡性能是由发动机的扭矩、转速与功率共同确定的。

现在，通过上面两个例子，我们已经知道了发动机的功率、转速与扭矩这3个参数的关系。所以，各位朋友在购买汽车的时候，千万不要被那些销售代表忽悠了。不能单独看发动机的功率、转速与扭矩这3个参数，而必须将它们联系起来分析。

看懂发动机工况图

既然要将发动机的功率、转速与扭矩这3个参数联系起来分析，那么我们就不得不用到发动机工况图。通常情况下，汽车厂商会都提供张发动机工况图。在这张图上，通过直角坐标系表明了发动机的功率、转速与扭矩这3个参数。由于，图中会分别用两条不同的曲线来表示发动机的功率与扭矩，所以直角坐标系中的x轴代表了发动机的转速，而Y轴则代表了发动机的功率与扭矩。下面我们就以《Geek》编辑中，隐藏得最深的米人——老妖的爱车斯柯达明锐1.8TSI为例子，通过发动机工况图向各位朋友解释说明。

每分钟1000转：

当发动机启动后，首先让这款1.8升的发动机的处于怠速状态，其转速为每分钟1000转，而扭矩与功率分别为165牛·米与40千瓦。

每分钟1500转：

当你踏下油门踏板是时候，随着发动机转速的提高，其扭矩与功率也分别提高。相比之下扭矩比功率的提升更为明显，在发动机的转速为每分钟1500转的时候，其扭矩就达到了250牛·米。在此之后，转速与功率的提高理论上是成正比的，这说明斯柯达明锐1.8TSI处于正常的加速状态。

每分钟3800转：

虽然发动机的转速继续提高，但扭矩却一直保持在250牛·米的位置。另一方面，发动机的功率却与转速成正比提高，在转速为每分钟3800转的时候，代表发动机功率的曲线与代表扭矩的曲线相交。这时，发动机的功率为100千瓦，扭矩为250牛·米。简而言之，当老妖通过油门踏板将发动机的转速控制在每分钟3800转的时候，这款TSI发动机正好可以发挥出最佳经济性能。

每分钟4200转：

在发动机的转速达到每分钟4200转之后，扭矩从250牛·米的位置开始呈现出下降的趋势。因此，250牛·米就是这款1.8升发动机的最大扭矩。另外，从理论上讲，在汽车做加速运动的时候，一开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；而当扭矩降低后，其加速性能也会明显降低。所以，在每分钟4200转之后，理论上斯柯达明锐1.8TSI的加速已经不像开始时那么明显了。

每分钟5000转：

虽然发动机的扭矩在继续下降，但转速与功率却在继续提高。当发动机的转速达到每分钟5000转的时候，其的功率达到了最高值，即118千瓦。在此之后，功率将保持在118千瓦的位置，不会随着转速的提高而提高了。这表示，发动机转速的提高更多地是在维持斯柯达明锐1.8TSI在行驶时的速度，而不是提高速度了。

每分钟6200转：

当发动机的转速达到每分钟6200转，其功率继续保持在118千瓦，而扭矩则下降到70牛·米。除此之外，每分钟6200转的转速，也说明了这款1.8升的发动机，其理论最高转速为6200转。