汽车「轮」流转｜星岛教室

全球各地的马路上，每天都有大量车辆往来穿梭，就像血液为人体运送养分和氧气，汽车运送着数以亿计的人群和货品到达目的地。而汽车的普及，以及车轮的演变，科学的发展实属功不可没。

一切由「摩擦力」开始

远古时代，人类搬运重物时通常透过人力，最多也只是利用绳子、木橇等工具帮忙拉动，可是要拖动的物件直接与地面接触，会产生庞大的摩擦力，阻碍物体前进。这样做不但费力，而且效率甚低。后来，聪明的古人尝试将圆木加在木橇下，发现更为省力。这构成了车的雏型，为将来的汽车发展迈出了第一步。

可惜，圆木与地面接触范围并没有减去多少，摩擦力仍然是一大障碍。约5000年前，古人想到将圆木切下来，配上幼身的车轴，与地面接触的就只剩下实心车轮的部分。后来，为了不受圆木大小的限制，更巧妙地将木板拼接成木轮。当拥有这种木轮的车身，再加上被驯化了的动物，使可载人载物的拉车首次出现在浩瀚的历史当中。

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木轮车诞生

遗憾的是，实心或拼接而成的车轮在凹凸不平的路上行驶，不但笨重，速度不快，而且很快损坏。直到公元前2000年左右，埃及人发明了轴条轮：将木头加热弯曲，拼接成一个轮圈，再以4至8条木制辐条代替原有的木盘，连接中央的轮谷，支撑起整个轮圈。这种车轮不但减轻了车轮的重量，减少所需的拉力，而且能吸收来自路面的震动，抓地力亦更强。这个车轮历史上的创举，使越来越多的车辆投入战争之中，创造了战车这古代战场上的霸主。及后，战车车轮外围更加入皮革、铜钉或铁圈，令车轮使用寿命更长。一辆辆战车驰骋沙场，以车轮力量征服不少地区。

木轮车前进了数千年，技术上革新缓慢，连当初叱咤一时的战车亦被骑兵所淘汰。哪怕是最普通的独轮车，还是传说中的「木牛流马」，也只是用作搬运有限数量货品的工具。

从「蒸汽机」到「内燃机」

经过漫长的等待，终于来到1776年，詹姆斯．瓦特成功改良出可供商业应用的蒸汽机。蒸汽机利用加热的水蒸气，推动活塞，产生机械能，可惜原有的设计因每次要等待机件冷却，效率较低。而瓦特为蒸汽机引入了分离冷凝器，允许蒸汽在一个独立的冷却室中冷凝，保持气缸的热度，减少了能量损失，提高效率。他还引入了连杆和齿轮系统，将原有机内活塞的直线运动转换为旋转运动，使蒸汽机可以更方便地驱动各种机械设备。蒸汽机使这巨轮又再滚滚前进，不到40年后，蒸汽火车的雏型面世，揭开了人类交通史新一页。

可是，蒸汽火车与现今的汽车仍相距甚远，怎样才可抛弃路轨和偌大的火车头呢？有工程师尝试设计一辆由蒸汽驱动的三轮车，但最终未能普及应用。幸好，1876年，德国工程师奥图发明了第一具四行程内燃引擎。这种内燃机透过燃烧汽油等燃料，使燃料在机械内部与空气混合燃烧，产生热能。气体受热膨胀，通过机械运动和气缸内的压缩及燃烧，将其转换为机械能。1885年，宾士汽车公司创办人卡尔．宾士成功制造了由内燃机推动的三轮车，被世人认为是现代化汽车的发明者。从此，贴近现代定义的汽车正式走进历史舞台。

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硫化橡胶轮胎新突破

随着动力来源日渐革新，更高效的车轮亦应运而生：人们开始尝试在车轮的外围围上橡胶，发明了实心的橡胶轮胎。1852年，美国人查理斯．固特异更发明了硫化橡胶。橡胶与硫产生化学反应，使橡胶分子链之间形成稳定的连结，令轮胎更有弹性，不易撕裂。直至1888年，英国兽医约翰．登禄普成功量产充气橡胶轮胎，大幅提升避震效果，使乘车的过程变得更为舒适。

及后，轮胎刻上防滑的坑纹，添加钢丝、尼龙等物料，甚至研发出能征服各种地形的越野轮胎、支援多方位移动的麦轮、不会被刺穿的免充气轮胎。时至今日，工程师仍力臻完美，盼做出更好车轮设计。

新能源车迈向自动驾驶

随着全球环保意识的提升，能源成为汽车发展的重要考量。电池技术的进步使电动车的续航能力不断提高，车内的电动机效率更高，行驶过程中排放温室气体较传统汽车少，还能提供卓越的性能。氢能车能将氢气输送到车内的氢燃料电池，让氢与氧产生化学作用发电，亦是备受关注的新宠儿。中国政府近年积极推动新能源汽车的发展，电动车、氢能车相信已成为汽车发展的未来趋势。

而最大机会改变我们未来出行方式的无疑是自动驾驶技术的发展。它利用了高精度的感测器（如雷达、激光测距仪和摄像头）及人工智慧算法控制汽车。现时已有部分汽车实现有条件的自动驾驶，用作辅助或代替司机驾驶。

目前，在中国部分城市已提供自动驾驶的无人计程车服务，它们会根据指示驶到指定地点，载送乘客到目的地。这技术相信能减少交通事故的发生，提高交通流量，减少拥堵现象。

相信在不久的将来，新能源汽车配上完全自动驾驶的世界将会来临，但我们也不必惊讶。因为汽车演变的时代巨轮在这数千年来也是如此不断向前推进，把我们驱动往更美好的世界去。

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小思考，大智慧

1. 你知道橡胶轮胎刚发明时是甚么颜色吗？
2. 现时的橡胶轮胎是甚么颜色？

参考答案

1. 橡胶轮胎刚发明时是白色的。只要在橡胶树上割上一刀，树就会流出白色的汁液，这些树汁就是天然橡胶。因为橡胶轮胎使用了固化的天然橡胶，所以是白色的。你看过米芝莲轮胎公司的吉祥物，那个胖胖的轮胎人吗？这就是他身上轮胎是白色的原因了。
2. 现时的橡胶轮胎是黑色的，因为自从1910年代后，几乎所有轮胎都加上了炭黑这材料。炭黑能令轮胎的耐磨性变强，使轮胎的使用寿命提升，所以得到广泛使用。

本栏逢周四刊登，由教育评议会邀请资深中小学老师、校长及大学讲师撰稿，旨在为学生提供多元化的STEAM学习材料，引发学生探求知识的兴趣，将学习融入生活，培养学生的世界观、敏锐的触觉、积极学习的态度。

文：中华基督教会基慧小学（马湾）STEAM统筹主任黄润权、中华基督教会基慧小学（马湾）科学科老师褚鸿鹏