老司机开车转弯时轮胎怎么转？直觉答案竟然是错的！
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转弯这个问题并不简单
今天聊和开车有关的一个重要问题。开车时，四个汽车轮胎的转速一样吗？许多人会直觉地回答，一起转啊，转速一样吧，因为车轮不是连一起的嘛，就和小朋友的玩具车一样。
想想看，一行小朋友转圈的时候，在相同的时间里，在中间的小朋友走过的路要比外圈的少，这样大家才能齐头并进对吧。如果内圈的小朋友走太快，就不齐了。
很显然，靠内的小朋友的行动速度肯定比外圈的要小啊。也是因为这个原因，在田径比赛时，起点如果在弯道，外圈的人就需要在更靠前的位置起跑，这样才能保证公平。
汽车也是一样，转弯的时候，外侧的车轮速度肯定比内侧大。
所以问题就来了：如果汽车轮胎之间是用同一根轴连接的，那么这根轴在转动的时候，两个轮胎的每分钟转速（RPM）应该是一样的，你转一圈，我也转一圈。
可是这样一来，在相同时间里，外圈和内圈的行动距离肯定也是一样的，那么在转弯的时候，两个轮子里靠内侧的那个肯定会打滑。可是我们并没听到汽车轮胎打滑的声音啊。
所以两个轮胎之间到底发生了什么？先来看看牛车是怎么转弯的。
牛车的车轮和车轴实际上并不是紧密结合的，车轮可以在车轴上滑动，这样的设计就允许两个轮子的转速不同。
早期的汽车的确也是用这种方法设计的，而且只有一个车轮和引擎相连。不过这种情况下轮胎就不够抓地，所以后来这种设计被淘汰了。
为了让两个车轮都带动力，同时避免转弯时车轮打滑的问题，有人想出了一种非常有趣的设计，它就是差速器。
差速器就是小汽车屁股后面的这个鼓包，它的技能就是让两个车轮用不同速度旋转。
▲差速器（红色）和引擎（黄色）
所以差速器是怎么做让两个轮子可以用不同速度旋转的呢？
1939年，雪弗莱曾经做过一次演示，我们一起来看看。像这样子，在两个分离的轮胎上加两根竖起来的“天线”，没问题吧——
这种情况下，如果用一根棍子同时搅动两边的“天线”，那么两个轮胎的转速是一样的。
我们把这根棍子固定在其中的一个轴上。让它可以随意转动。这样一来，两个轮胎可以做到同步，但是在转弯时还是会保持相同的速度。
继续改良中间的棍子，让它可以转动——
这样一来，它就可以让其中一个轮胎转动，而另一个轮胎不转，或者减速转了。但是这样的设计有一个问题，那就是两个轮胎速度相差太大，中间的这根棍子就会掉线——
有没有办法改良呢？给它再装一根辐就可以了——
但是这样两个棍子会撞来撞去，摩擦也很大——
为了让轮胎在两个速度挡之间的变换更为顺滑，只需要安装更多的辐就行了——
把这些辐换个皮肤，变成齿轮，看起来就更和谐了——
继续给齿轮充值升级——
上面这个可以调整左右两个车轮转速的小齿轮就叫做差速轮。
然后给差速轮装上动力，也就是这两个和引擎连在一起的大小齿轮，差速轮就可以带动两个车轮滚了——
所以在平直的马路上开车的时候，差速轮只做公转，这样两个车轮的转速是一致的。
但是在转弯的时候，差速轮除了要公转，还要自转，这样才能让两个车轮转速不一致。
当然，这种基础款的差速轮也不完美，它的一大问题就是轮子遇到湿滑的地面容易打滑开不过去，所以后来出现了升级版的限滑差速器。这个限滑差速器，是保时捷在1932年的时候发明的。
你以为差速器的故事到这里就结束了？许多人直觉地认为，现代自行车的发明比现代汽车要早，其实不是。
如果说有了差速器才有现代汽车，那么现代自行车实际上是在汽车之后发明的，因为现代自行车的发明人要叫差速器发明人叔叔。而差速器发明人是因为做了爸爸才有了这样的成就，差速器的发明可以说是爱的结晶。
差速器的发明人、来自英国乡村的土味发明家 James Starley 是个暖爸，喜欢带儿子骑自行三轮车。但是这种三轮自行车不太好转弯，孩子的安全问题就成了他心头的疙瘩。
1877年的一天清晨6点钟，他在陪儿砸骑车车的时候，突然想到了解法。2个小时后，他就把设计做了出来，并坐火车到伦敦申请了专利。而这个专利后来就成了汽车的标准设计。
不过，在James Starley 的时代还没有出现现代意义的自行车，那时候的自行车大都长这样——
这种大小头的自行车叫做彭妮法洛斯（penny-farthing）。
相信许多人都不明白为什么那时候的自行车是这样的冤大头造型。彭妮法洛斯有这么大一个头，是因为人踏一圈，自行车轮也只能转一圈。为了走更多的距离，轮子就只能做得很大。
彭妮法洛斯进化成现代自行车，是因为多了一根自行车链。现在的自行车用链条把大小不同的链轮连接起来，这样就可以把人腿的转速放大。有了自行车链以后，人每踏一圈，自行车轮可以滚好几圈。如此一来，就不需要巨大的轮子了。
▲有了自行车链和链轮，人踏一周（A轮）
自行车轮可以滚好几周（B轮）
这种自行车链条传动装置的发明人，就是 James Starley 的侄子 John Kemp Starley。人类所有的掉链子都是他的锅。
后来，John Kemp Starley 还和小伙伴发明了 Rover 安全自行车（Rover safety bicycle），你没看错，就是路虎的同款 Rover。
▲Rover 安全自行车
图片来源：MAAS collection
Rover 安全自行车迅速取代了彭妮法洛斯，制霸了自行车行业，也变成了那个时代最好带的货之一，连溥仪都下单变成了骑手，每天和后妃在花园里开车翻车，自行车的车。
因为 Rover 安全自行车的成功，John Kemp Starley 的自行车公司后来逐渐成长为汽车公司罗孚，罗孚后来又变成了路虎。
对了，在波兰语里，Rover 就是自行车的意思，这也是 John Kemp Starley 取这个名字的用意。所以，我买了路虎，就等于我买了自行车。
说来你可能又...不信了，实际上自行车是世界上能效最高的交通运输工具。运行同样的距离，汽车消耗的能量比自行车不知道高到哪里去了。
▲不同交通运输方式的能效对比
横坐标是每人每千米所消耗的卡路里
纵坐标是速度
自行车比走路省力自然不用说了。实际上，约翰霍普金斯大学的材料学家 James B. Spicer 利用远红外摄像头对自行车链传动装置进行研究后发现，自行车的能效可以达到98.6%。
也就是98.6%的输入能量都被转化为动能，只有不到2%的输入能量因为摩擦被转化为了热能，这也是 John Kemp Starley 的自行车链系统发明一百多年来没有什么大变化的重要原因。
作为对比，汽车的能效只有区区20%-40%。开车从上海到温州走的350千米所用的能量如果用来骑自行车，那么自行车实际上都能够环游世界一周了。
总之，我们能安全开车，要感谢百年前一个不会玩三轮车漂移的英国小朋友。
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本文转载自微信公众号：把科学带回家（ID：steamforkids）作者：把科学带回家。只为每天给大家提供更多精彩的知识与内容，但不代表军武完全认同此观点。
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