电动汽车如今越来越普及，今天我们来讨论一下电动汽车的再生制动系统 —— 当然还有其它你可以用来停下一辆车的方法。

为什么汽车的尾部要安装刹车灯？安装它们的目的在于，当汽车刹车时，后面的司机就可以发现并及时减速。但电动汽车可以使用一种不会点亮刹车灯的方式制动！笔者此前并不知道这一方式，直到从网上看到关于电动汽车“动能回收”驾驶模式问题的视频。这种模式使得司机可以仅依靠油门踏板控制车速。当脚踩油门踏板的压力减小时，电动汽车的电动机就转换成再生制动模式，并向电池充电。这意味着，此时汽车减速，但刹车灯没有亮。

本文将阐释关于再生制动你所需要知道的一切，也会讨论你可以停下一辆车的各种办法和它们的能量转化。

力，能量和运动

假设一艘飞船在宇宙中航行，没有空气，没有引力，当然也没有摩擦力。如果这艘宇宙飞船启动了发动机，那么它将加速。但当发动机关闭之后，不再有外力作用在飞船上，这时会发生什么呢？也许你会说，飞船会逐渐减速。然而它不会，飞船会以恒定的速度沿直线一直运动。

这是牛顿第二定律的直接结果。牛顿第二定律说的是作用在物体上的合力等于物体的质量乘以加速度。合力为零则加速度一定是零。加速度告诉我们速度的变化率 —— 所以零加速度意味着速度不会发生改变。

那么火箭如何停下来呢？停下的意思是速度从某个值变化到 0。是的，这意味着火箭必须加速。这里加速一词并不只是指“增加速度”，而是指改变速度，可以是从较高的速度到更低的速度，也包括一直降到零速度。对于这里的火箭来说，你需要一个力来产生加速度，并且这个力必须朝着与速度相反的方向推飞船。这就是你让一个东西慢下来的方法：需要一个向后推的力。

现在让我们考虑能量。如果刚才那枚火箭在宇宙中运动，那么它由于运动而带有能量。我们把这种能量称作动能，动能的大小取决于火箭的速度和质量。当火箭慢下来的时候，它速度的减小也导致动能的减小。但是能量是不会消失的。如果飞船的能量减少，那么一定有其他什么东西的能量增加。在这个例子中，如果飞船通过火箭发动机点火来减速，那么发动机喷出的气体速度会增加。这意味着气体动能的增加。能量守恒是指某一物理过程 (例如气体从火箭中喷出) 发生之前和发生之后的总能量是相等的。

现在我们可以利用这些物理知识去理解在地面上通常用于汽车减速的方法。

外力

要使汽车停下来，必须要有某种形式的与运动方向相反的力作用到汽车上，这适用于我们将讨论的全部刹车方法。在一些情况下，这个向后的力来自汽车本身，但也不一定非要这样。你见过高速公路上排成一排的桶吗？它们叫做“防撞桶”。这些桶实际上是装满了水或沙子的桶，这样汽车可以通过与这些桶碰撞来减速。(注意：不要用外力减速，除非你真的别无选择！)

这些桶提供了使汽车减速的向后的力，但它们是用一种聪明的方式提供这个力的。装满水或者沙的桶是软软的，它们并不像树干或者混凝土路障那样给汽车施加一个巨大的力。在来自桶的较小的力的作用下，汽车要用更长的时间减速，这样车内的人员就会更安全。但是当汽车的动能降低时，一定有一些其他形式的能量要升高，不是吗？

如果你看过汽车撞上这种缓冲桶的视频，你会注意到里面的沙子或水被抛入空中。没错，这就是汽车的动能的去向。

车轮刹车和摩擦力

我们都知道正确的停车方法是踩刹车。但这究竟是怎么让车停下的？答案是摩擦力。我们可以将摩擦力分为两类。首先是静摩擦力，出现在两个表面彼此相对静止的情况。另一个是滑动摩擦力，出现在两个表面彼此相对滑动的情况。

让我们考虑一辆车的轮胎在地面上滑动使车停下 (不推荐这种停车方式)。在这种情况下，我们可以画出如下的力的示意图：

滑动摩擦力沿着与汽车速度相反的方向推动汽车使之减速。但是当汽车停下的时候，汽车的动能去了哪里呢？

下面这张动图展示了后轮抱死的汽车在地面上滑动减速直到停止。这是红外相机拍摄的画面，所以图中明亮 (更偏橙色) 的部分代表更热的物体。

注意有一个轮胎在滑动，它在地面上留下一条炽热的明亮痕迹，同时轮胎也会变热。这正是动能的去向：导致热能增加。

但是如果像一个正常驾驶员那样停车而不是把刹车踩抱死会怎么样呢。因为轮胎不发生滑动，这时起作用的的实际上是静摩擦力。事实证明，如果相互作用是静摩擦而不是动摩擦，则两个表面之间可以获得更大的摩擦力。因此几乎每一辆车都有防抱死系统 (ABS) 来防止刹车时车轮滑动，来达到更优的刹车距离。

对于上面两种情况，有另一件事需要考虑：如果说汽车因为车轮与路面的摩擦力而停下，那么什么使车轮先停下呢。这就是设计车闸的目的。大多数汽车的车轮上装有一个圆盘 (称作制动转子)。对于每一个转子，都有两个刹车片阻碍转子转动以使它减速。是的，这又是摩擦力。下面是一张车轮停下后的红外图像：

更明亮 (更偏橙色) 的转子表明它真的很热。所以当一辆汽车停下时，动能的降低意味着地面、轮胎和转子热能的增加。事实上，在极端情况下刹车，例如波音 747 飞机仅依靠闸片停下时，制动转子可以变得炽热，以至于红得发亮。

空气阻力

如果你驾车在水平的道路上以恒定的速度行驶然后熄灭发动机，会发生什么呢？不同于宇宙中的火箭，你的车显然不会永远运动下去；它终将减速并停下来。

但减速一个物体不是必须有一个与速度方向相反的力吗？是的。在这个例子中，相反方向的力是空气阻力。当汽车运动时，汽车和空气中的分子之间有着大量微小的碰撞。这些碰撞给汽车一个推力迫使它减速 (在行驶中的汽车上，当你把手伸出窗外，并感受到空气将你的手向后推的时候，你就知道空气阻力的存在了)。

现代汽车的外形有减小空气阻力的设计，可以提高燃油效率。然而，如果你确实想用空气减速一辆高速运动的汽车，大幅增加空气阻力也是可行的。你只需要让你的汽车有一个更大的迎风面积。赛车打开阻力伞 (从赛车后面伸出的小型降落伞) 时就利用了这个方法。(这并不是一个停车的实用方法，因为它只能用一次，之后你就要将伞重新包装起来，但这种方法仍然重要。)

能量去哪里了呢？当汽车和空气相互作用时，空气被推动于是分子运动更快进而温度升高。这种能量的变化发生在相当大范围的空气中，人们难以测量这部分能量，但这就是汽车动能的去向。

重力

事实上你可以用重力将车停下来。你也许在山地路段的大车缓冲坡上见过这种方法。这些缓冲坡是道路朝向山坡的分支。如果一辆车 —— 通常是重型半挂卡车 —— 刹车失灵了，它可以冲上缓冲坡。是的，这里有一个向后的推力，这个力就是重力。示意图如下：

因为汽车沿着斜坡向上而重力竖直向下，因此重力有一个分量沿着速度的相反方向使汽车减速。当汽车沿着斜面向上运动时，重力势能增加。汽车走得越高，重力势能越大。

当然，反过来也是一样的。如果你让一个物体沿着斜面向下运动，那么重力势能减小导致动能增加。所以你仍然需要刹车或某种类型的摩擦力阻止汽车最终向后滑下来。大多数这种缓冲坡由很软的碎石建造以产生大的摩擦力，这样货车在上面可以保持静止。

降档

手动档的汽车并不像自动档那样普遍，但它们仍然存在。对于手动档汽车，驾驶员必须手动挂档来完成加速，也可以用相同的过程减速。

假设汽车正在 4 档以每小时 70 公里的速度行驶。如果驾驶员降到 3 档并且松开油门踏板，汽车将会减速。驾驶者不需要接触刹车踏板，也就是说汽车刹车灯不会点亮，即便汽车正在减速。当然，如果需要在很短的距离内停车，这种降档的方法就不能满足需要，驾驶员不得不使用传统刹车。

降档是怎样实现减速的呢？这里只会给出关于内燃机的浅显的描述，但这就足够我们理解降档了。发动机通过向气缸内的压缩空间添加汽油来提供动力。当燃油被点燃，气体膨胀并且推动活塞。活塞上下运动带动曲轴转动，经过多个传动部件之后使轮子转动。于是你的车就动了。为了让这一切工作，你需要汽油，一个火花用来点燃汽油，以及对气体进行压缩。

如果你去掉了火花和燃料会发生什么呢？如果车轮和发动机正通过传动机构处于耦合状态，气缸中的气体仍然会被压缩。对气体压缩的过程给发动机的转动增加了阻力，可以用于汽车减速。(当然，你仍然需要轮胎和路面的摩擦力。)

从能量的角度，对应动能的减少，我们仍然需要某种能量的增加。并不意外，热能会增加。当气体被压缩时，它变得更热，这些热量来自汽车的动能。

再生制动

如果有一种方法可以使车辆减速、降低汽车动能，同时还能储存下来这部分能量呢？再生制动正是这样的方法。

这一切开始于电动机，它本质上只是一个在磁体附近的安装在转轴上的线圈。当电流流经线圈时，电流和磁体存在相互作用，这使得线圈在转轴上转动。它也可以反过来工作。如果你在磁场中移动导线，导线中将产生电流。这意味着电动机和发电机是相同的机械。作为电动机，你给它电流它让物体运动。作为发电机，你转动转轴，然后得到电流。

也就是说如果你的汽车上有一个电动机，它将可以作为发电机为汽车电池充电。当汽车减速时，动能被转化为电能储存在电池中。当然，至少一部分能量被储存下来了 —— 总是存在一些损耗，因为这不是一个效率 100% 的过程。物体总要被加热，至少是在一个很小的程度上。

那么刹车灯和动能回收是什么样的呢？无论是电动汽车还是汽油动力汽车，只要驾驶员踩下制动踏板，刹车灯就会亮起。但现在我们看到电动汽车驾驶员只是松开油门踏板就可以减速 —— 不需要刹车踏板。在这种情况下，车上的电脑负责切换电动机的驱动模式和发电模式 —— 并且也是这台电脑决定是否点亮刹车灯。此时刹车灯可能不会亮起。

(我们知道电脑或将有一天接管世界。它们从接管刹车灯开始。弱小的人类只能接受我们不再能做任何决定的可能性。)

这是合法的。目前美国机动车安全标准规定：“每辆车上的刹车灯应在行车制动时启动。每辆车上的高位刹车灯仅在踩下行车制动器时才会激活。”（中国也有类似规定）

这一规定应当修改吗？假设笔者可以决定 —— 当然笔者不能 —— 笔者将制定这样一条规定：当电动汽车减速加速度数值大于某个确定的值，例如 1m/s时，刹车灯应该亮起。这样驾驶员就向后车发出了信号：“我要停车了，所以也许你也应该这样做。”难道这不是刹车灯存在的全部原因吗？

作者：RHETT ALLAIN

翻译：利有攸往

审校：小聪

原文链接：All the Ways to Slow a car

本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：RHETT ALLAIN

广告声明：文内含有的对外跳转链接（包括不限于超链接、二维码、口令等形式），用于传递更多信息，节省甄选时间，结果仅供参考，所有文章均包含本声明。