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☆☆☆☆☆

出版者:The Johns Hopkins University Press

作者:Chuck Edmondson

出品人:

页数:248

译者:

出版时间:2011-1-24

价格:GBP 15.50

装帧:Paperback

isbn号码:9780801898235

丛书系列:

图书标签:

科普
汽车
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具体描述

Revving engines, smoking tires, and high speeds. Car racing enthusiasts and race drivers alike know the thrill of competition, the push to perform better, and the agony—and dangers—of bad decisions. But driving faster and better involves more than just high horsepower and tightly tuned engines. Physicist and amateur racer Chuck Edmondson thoroughly discusses the physics underlying car racing and explains just what’s going on during any race, why, and how a driver can improve control and ultimately win.

The world of motorsports is rich with excitement and competition—and physics. Edmondson applies common mathematical theories to real-world racing situations to reveal the secrets behind successful fast driving. He explains such key concepts as how to tune your car and why it matters, how to calculate 0 to 60 mph times and quarter-mile times and why they are important, and where, when, why, and how to use kinematics in road racing. He wraps it up with insight into the impact and benefit of green technologies in racing. In each case, Edmondson’s in-depth explanations and worked equations link the physics principles to qualitative racing advice.

From selecting shifting points to load transfer in car control and beyond, Fast Car Physics is the ideal source to consult before buckling up and cinching down the belts on your racing harness.

涡轮增压时代的机械美学：重构经典跑车的性能边界一部深入剖析现代高性能汽车工程、空气动力学优化、以及动力系统调校的深度专著。导言：速度的悖论与工程的极限在追求极致速度的道路上，汽车工程早已超越了简单的机械堆砌。本书旨在揭示那些驱动现代超级跑车和顶级赛车超越传统物理界限的核心技术与设计哲学。我们不探讨基础的牛顿定律或简单的摩擦力计算，而是聚焦于那些将理论转化为残酷性能数据的尖端应用：从碳纤维单体壳的材料科学，到主动空气动力学系统的实时反馈控制，再到高转速发动机燃烧室内的瞬态流体动力学。第一部分：超越惯性的结构设计与轻量化革命 1.1 先进材料的结构力学应用本章首先挑战传统的车身结构概念。我们详细分析了当前碳纤维增强复合材料（CFRP）在承受极端扭转刚度和冲击载荷时的失效模式与设计优化。重点讨论了“编织结构”与“预浸料热压成型”工艺对零部件重量-强度比的决定性影响。读者将深入了解如何通过拓扑优化软件，在保证车架完整性的前提下，移除冗余材料，实现结构重量的极限压缩。 1.2 动态底盘与悬挂系统的实时适应性现代跑车的“抓地力”不再是静态的参数，而是一个持续被优化的变量。我们详尽分析了磁流变液悬挂（MR Dampers）的工作原理，以及它们如何通过毫秒级的响应速度，实时调节阻尼系数以匹配路面信息。书中对多连杆悬挂几何结构（如阿克曼转向角、侧倾中心高度）的精确计算和在不同轴荷转移情景下的演变模型进行了深入探讨，展示了如何通过精准的几何设计，实现轮胎在各种工况下的最佳接触斑。第二部分：空气动力学的雕塑艺术与负升力生成 2.1 层流与湍流的边界管理空气动力学是现代高速机器的灵魂。本部分彻底摒弃了对基础风阻系数（Cd值）的简单描述，转而关注如何主动管理气流，最大化负升力（下压力）的效率。我们用计算流体力学（CFD）的视角，剖析了车身表面、扩散器边缘以及翼片（Flics）周围的压力梯度分布。特别关注了“地面效应”的复杂性，以及如何通过设计精确的底板倾角和扩散器喉部面积，来维持高能气流的稳定流动。 2.2 主动气动系统的决策逻辑本书的亮点之一是对主动空气动力学系统的剖析。这包括可变角度的后扰流板（Active Rear Wing）和集成在车身内部的气帘（Air Curtains）。我们将详细解析这些系统的传感器输入（速度、侧倾角、转向角度）与执行器输出之间的控制算法，展示系统如何基于预设的性能地图，在高速直线加速和极限侧向过弯之间进行最优平衡，确保下压力与阻力的动态解耦。第三部分：动力总成的热力学与扭矩矢量控制 3.1 高增压发动机的燃烧室效率极限聚焦于现代高性能发动机，本书深入探讨了超高转速、高压缩比和极端增压比下的燃烧挑战。我们将分析直接喷射技术（GDI）在限制爆震（Knocking）的同时，如何实现更精确的燃油雾化和更均匀的混合气形成。内容涉及涡轮增压器的响应性优化，特别是双涡管、可变截面涡轮（VGT）技术，如何管理排气脉冲能量以消除低转速扭矩迟滞。 3.2 传动系统中的摩擦与能量损耗最小化在动力传递链上，每一份能量损耗都是对性能的妥协。我们分析了湿式双离合变速箱（DCT）在换挡执行过程中的液压控制策略，重点研究了离合器结合时的扭矩传递曲线平滑度优化。此外，书中还涵盖了先进的机械差速器（LSD）与电子控制的扭矩矢量系统（Torque Vectoring by Braking/Clutch）之间的协作机制，解释它们如何精确分配轴间和轴内的驱动力矩，以抵消转向不足或过度。第四部分：车辆动力学与驾驶者界面的集成 4.1 轮胎与路面的耦合分析轮胎作为唯一与路面接触的部件，其性能决定了车辆的极限。本章采用更复杂的摩擦圆模型（Friction Ellipsoid），而非简单的“摩擦力”概念，来描述轮胎在侧向力和纵向力耦合作用下的实际承载能力。书中还讨论了胎压实时监测系统（TPMS）如何反馈给车辆动态控制系统（如ESC），以实现更保守或更激进的干预阈值。 4.2 电子稳定系统的介入哲学现代牵引力控制（TCS）和电子稳定控制（ESC）不再是简单的安全网，而是性能调校的一部分。我们剖析了这些系统基于“车辆运动学模型”的预测性控制算法，而非反应性控制。分析了不同驾驶模式（如“湿地”、“赛道”或“动态”）下，系统对转向输入、油门开度和横摆角速度的敏感度设置，以及这些设置如何定义车辆的最终操控特性。结论：面向未来的工程迭代本书的最终目的，是为工程师和资深爱好者提供一套理解当代高性能汽车工程的框架。速度的未来在于系统间的无缝集成、材料的持续革新以及控制算法的更高精度。每一项技术都是对工程限制的挑战，共同塑造着我们今天所见的“超级机器”。

作者简介

Chuck Edmondson is a professor of physics at the United States Naval Academy and an avid amateur race car driver. He was the engineer on the submarine filmed in The Hunt for Red October.

目录信息

Preface ix
Acknowledgments xiii
Chapter 1 Torque or Horsepower? Finding the Shift Points 1
1.1 Acceleration and Newton's Second Law 3
1.2 Velocity, Speed, Rotation, and Engine rpm 7
1.3 The Car, Horsepower, and Torque 9
1.4 Tire Markings 11
1.5 Calculations 12
1.6 First Gear, It's All Right. Second Gear... 13
1.7 Summary 16
Chapter 2 Horsepower, 0 to 60 mph, and the Quarter Mile 18
2.1 Horsepower 18
2.2 How Does Drag Force Affect Shift Points? 22
2.3 Gear Ratios 23
2.4 Calculating 0 to 60 mph Times 24
2.5 Assumptions and Results 28
2.6 What is the Limit for 0 to 60 mph? 29
2.7 Aerodynamic Drag 31
2.8 Correction Factors 33
2.9 The Quarter Mile 35
2.10 Flat Torque Curves 36
2.11 Top Fuel Dragsters 39
2.12 Summary 44
Chapter 3 Finding the Racing Line: Road Racing 45
3.1 The Traction Circle 48
3.2 Ninety Degree Right-Hand Turn 53
3.3 General Turn 59
3.4 Constructing a Track Model 59
3.5 Types of Turns 62
3.6 Type 1 Turn 64
3.7 Type 2 Turn 69
3.8 Type 3 Turn 71
3.9 Turning While Speeding Up 76
3.10 Summary 81
Chapter 4 Basic Vehicle Dynamics: Load Transfer and Tires 82
4.1 Center of Gravity 82
4.2 Longitudinal and Lateral Center of Gravity 83
4.3 Height of the Center of Gravity 85
4.4 Load Transfer and the Static Stability Factor 88
4.5 Tires and Forces 92
4.6 Tire Construction 93
4.7 Wheels 94
4.8 Tires under Static Load 95
4.9 Tires under Dynamic Load 103
4.10 Contact Patch Friction 105
4.11 Material Properties and Testing 109
4.12 Longitudinal Force and Longitudinal Slip 112
4.13 Lateral Force and the Slip Angle 115
4.14 Aligning Torque 118
4.15 Summary 120
Chapter 5 Steering and Suspension 123
5.1 More on Steering 123
5.2 Bicycle Model: Oversteer and Understeer 126
5.3 Wheel Alignment 130
5.4 Suspension Basics 136
5.5 Double A-arm or Wishbone Suspension 136
5.6 MacPherson Strut Suspension 143
5.7 NASCAR-Type Solid Rear Axle 144
5.8 Springs and Dampers 146
5.9 Shock Absorbers 160
5.10 Lateral Load Transfer: Advanced Approach 164
5.11 Correcting Handling Problems 171
5.12 Understeer Correction 172
5.13 Oversteer Correction 175
5.14 Summary 177
Chapter 6 Green Racing 179
6.1 What Is Green Racing? 181
6.2 Regenerative Braking 184
6.3 Mechanical Energy Storage: Flywheels 186
6.4 Electrical Energy Storage: Batteries 187
6.5 Electrical Energy Storage: Capacitors 191
6.6 What Type of Hybrid Is It? 194
6.7 Parallel Configuration Hybrid: Toyota Prius 194
6.8 All-Electric Vehicles 200
6.9 Fuel Cells 205
6.10 Alternative Fuels 207
6.11 Summary 218
Conclusion: Get Off the Streets and Go Racing! 220
Suggested Reading 223
Index 225
· · · · · · (收起)

读后感

评分☆☆☆☆☆

用户评价

评分☆☆☆☆☆

拿到这本书时，我其实是带着一丝怀疑的，毕竟市面上那么多宣称“揭秘”速度与激情的书籍，大多都是华而不实的“故事会”。但是《疾驰之道》这本书，从第一个章节开始，就展现出了一种令人信服的严谨性，同时又保持着对读者“好奇心”的精准拿捏。它的结构布局非常巧妙，它没有按传统的“引擎-底盘-空气动力学”的顺序来铺陈，而是以“驾驶员的感知”为核心线索展开。比如，在讲解制动衰减（Brake Fade）时，它并没有停留在热力学公式上，而是详细描述了刹车片材料在不同温度区间内摩擦系数的变化曲线，以及这种变化如何直接影响到驾驶员在赛道末端需要增加多少刹车行程和踏板力度。这种以“人机交互”为焦点的叙述角度，极大地增强了阅读的沉浸感。更让我拍案叫绝的是它对“赛道建模”的探讨。书中用了一种非常概念化的方法，将一条赛道分解成一系列复杂的“微观弯角”和“加速度剖面”，然后讨论了如何在这些有限的变量中，通过调整车辆的调校参数（如弹簧刚度或阻尼系数）来优化总圈速。这种从宏观目标（最快圈速）倒推微观物理参数的逻辑链条，对于我这种喜欢从系统角度思考问题的读者来说，简直是饕餮盛宴。它提供的不是简单的知识点堆砌，而是一套完整的、可以应用于实际分析的思维框架。

评分☆☆☆☆☆

《引擎的低语：力学解析》这本书，给我的感受是一种近乎于艺术品的精雕细琢。它的文字表达极其注重意境和精准度的平衡。如果说其他书在讲空气动力学时是在描绘风暴，那么这本书就是在描绘风暴中每一滴水珠的运动轨迹。我花费了最多的时间去理解其中关于“摩擦学”的那几章内容。作者没有仅仅停留在“摩擦力是运动的阻力”这种基础概念上，而是深入探讨了不同接触表面在纳米尺度上的相互作用，以及润滑剂分子层在极高剪切速率下的行为表现。比如，书中详细对比了干式油底壳和湿式油底壳在极端侧向加速度下，油膜厚度和供油压力的差异，以及这种差异如何影响曲轴轴承的寿命和功率输出的稳定性。这种对细节的偏执，使得整本书充满了可信赖的专业光环。此外，它对“声学特性”的分析也令人耳目一新。它不再把引擎声浪仅仅看作是噪音，而是通过傅里叶变换的视角，将声波分解为各个阶次谐波，分析不同排气歧管设计如何通过声波干涉来优化排气脉冲的效率，从而间接提升扭矩输出。这种跨越物理学、材料学和声学的多维交叉分析，充分展现了作者深厚的学术背景和对汽车工程的热爱。读完后，你会发现，高性能汽车的每一个部件，都不是孤立存在的，它们共同构成了一个精密的、在物理规律下和谐运作的机械交响乐团。

评分☆☆☆☆☆

这本《超速方程式》的横空出世，简直是为那些对汽车工程怀有赤子之心，却又苦于晦涩理论的爱好者们点亮了一盏明灯。我原本以为，要真正理解跑车在极限状态下那些令人眼花缭乱的物理原理，比如空气动力学如何决定下压力，轮胎花纹如何影响抓地力，或者悬挂系统在不同路面反馈的微妙差异，就必须啃下那些厚厚的工程学教科书。然而，这本书彻底颠覆了我的认知。作者的叙述方式极其流畅，仿佛是把一位经验丰富的赛车工程师请到了你的身边，用最直观的比喻和生动的案例，将那些原本抽象的公式和概念“翻译”成了我们都能理解的语言。比如，书中对于“地面效应”的剖析，它没有直接抛出复杂的流体力学方程，而是通过一系列巧妙的图示和对F1赛车底盘设计的细致解读，让你瞬间明白了气流如何被“吸”向地面，从而产生令人惊叹的抓地力。我特别欣赏作者在讲解瞬态响应时的那种耐心，当我们谈论一辆车在高速过弯时，从侧滑到恢复控制的那个“临界点”，书里不是简单地给出一个数值，而是描绘了车身质量、重心高度、转向比以及路面摩擦力之间那种动态的、互相博弈的关系。读完之后，当我再去看任何一场赛车比赛，不再仅仅是被速度和轰鸣声所震撼，而是能清晰地“看到”车辆每一个动作背后的物理逻辑，那种由内而外的理解和满足感，是任何纯粹的视觉体验都无法比拟的。这本书，无疑是连接工程深度与大众可读性的完美桥梁。

评分☆☆☆☆☆

读《速度的边界》的过程，简直就像是在经历一场循序渐进的认知重塑。它与市面上其他强调“改装潜力”或“驾驶技巧”的书籍截然不同，这本书更像是一本关于“物体运动本质”的哲学探讨，只不过它的载体是高性能汽车。作者在开篇就设立了一个极具挑战性的论点：任何速度的提升，最终都回归到对能量转换效率的极限追求。这种高度概括的立论方式，反而为后续的细致展开奠定了坚实的理论基础。书中对于能量损失环节的剖析，细致到了令人发指的地步：从滚阻系数的微小变化，到不同燃油标号在高压缩比下的爆震临界点，再到齿轮箱内部润滑油因剪切力产生的热耗散。这些看似微不足道的因素，在书中被系统地量化和叠加，最终构建起一个完整的“效率损失金字塔”。我特别喜欢它对“惯性”这个概念的深度挖掘，它不仅限于牛顿的经典定义，而是延伸到考察车辆在进行“偏航力矩”调整时，车轮质量分布（簧下质量与簧上质量）对动态平衡的精细影响。读完后，我感觉自己对“快”这个字的理解，从一个感性的形容词，变成了一个可以被精确计算、被物理规律严格约束的工程目标。这本书对读者的逻辑思维能力要求很高，但回报也是巨大的。

评分☆☆☆☆☆

这本书最让我感到振奋的地方，在于它那股子“硬核”的纯粹劲儿。我过去接触的一些科普读物，总喜欢在解释物理现象时加入过多的“情感渲染”或者“历史轶事”，试图用故事性来掩盖理论的不足。但《极速奥秘》完全反其道而行之，它毫不留情地深入到了那些最核心、最不容易被大众触及的专业领域，比如材料科学在高速运动中的应用，以及控制论在现代车辆稳定系统中的作用。我记得有一章专门讨论了碳纤维复合材料在受到侧向冲击时，其“失效模式”与传统钢材的巨大差异。作者没有回避复杂的应力张量分析，而是用一种非常简洁的数学表达方式，清晰地勾勒出了纤维取向角对结构整体强度的决定性影响。这对我理解为什么高性能跑车在追求极致轻量化的同时，还要面对极为严苛的结构安全标准，提供了全新的视角。此外，对于主动悬挂系统，书中对电磁阀响应时间、油液粘度和活塞行程之间的复杂耦合关系进行了极其细致的建模分析，让原本感觉像是“魔法”的电子控制系统，变得有迹可循，有数可量。这本书无疑是为那些不满足于“知道是什么”，而更渴望“弄明白为什么”的深度学习者准备的。

评分☆☆☆☆☆