NASCAR 可能是学习物理最快的途径

高速行驶确实令人兴奋。纵观历史，人们总是在努力让自己跑得更快，无论是步行、骑马、乘船还是骑自行车。

几乎每个周末，如今的速度爱好者都可以通过观看他们最喜欢的 NASCAR 赛车手以惊心动魄的速度在赛道上飞驰而过。

也许是人群中的兴奋，也许是持续不断的危险威胁吸引人们参与这项运动。又或许是科学和工程的壮举吸引了一些观众。作为一名物理学家，我喜欢在 NASCAR 比赛中看到所有物理原理的展示。

速度

纳斯卡赛车手的速度极快，超过每小时 200 英里。他们的加速速度非常快，从零加速到每小时 60 英里只需 3 到 3.5 秒。在加速过程中，赛车必须对赛道施加平均 2,600 磅的水平力。这相当于一条大型美洲鳄鱼的咬合力或举起一头成年野牛所需的力。

根据爱因斯坦的狭义相对论，你在空间中移动得越快，时间流逝得越慢。因此可以说，速度魔鬼纳斯卡车手的年龄比我们其他人要小一点点。在 3.5 小时的比赛结束时，车手的年龄比静止不动的观众少 0.5 纳秒左右。如果车手在接下来的 50 年里以 200 英里/小时的速度不间断地比赛，他的年龄将比我们其他人少 70 微秒。

虽然与看台上的观众相比，NASCAR 车手的速度快得令人难以置信，但他们的速度与爱因斯坦想象中的光速（6.7 亿英里/小时）相比还是很小的。相对论对赛道的影响很小，但它确实存在。

赛道

那么驾驶员如何才能获得这些速度呢？

当汽车进入弯道时，它自然会想继续沿着原来的方向行驶。要改变方向以跟随椭圆形赛道的曲线，必须施加力。

必要的力量来自轮胎和赛道之间的摩擦力。摩擦力是轮胎和赛道之间的连接，可以防止轮胎和赛道相互滑动。

因此对于驾驶员来说，这是一种平衡行为——他们希望将油门踩到底，但在弯道上又不能开得太快，以免速度超过摩擦力提供的操纵能力。速度太快，摩擦力可能不足以阻止汽车继续沿其原始方向滑向墙壁。速度太慢，您就会落后于竞争对手。

赛道的设计方式可以解决这个问题。弯道是倾斜的，这意味着弯道在赛道外侧较高，在赛道中心较低。路面向上推汽车的部分力（物理学家称之为法向力）有助于轮胎的摩擦力，帮助汽车转弯。

在一些最快的赛道上，转弯时的倾斜度与游乐场滑梯的陡度相当。里士满国际赛道的倾斜度可使赛车的速度比不倾斜时快 1.3 倍左右。更大的弯道和更高的倾斜度（如代托纳和塔拉迪加赛道的弯道）可使车手在转弯时保持更高的速度。

力量

功率是衡量在一定时间内能量从一种形式转换为另一种形式的指标。在赛车比赛中，这种转换是指从汽油中储存的化学能转换为运动的动能。

NASCAR 发动机可产生约 750 [马力)(https://www.popsci.com/what-is-horsepower/)（560 千瓦）的功率，超过同类街车（最高功率约为 300 马力）。在比赛期间，NASCAR 发动机的功率转换约为同一时间段内典型美国家庭用电量的 500 倍。

汽车的动力来自发动机旋转时燃烧的气体。NASCAR 发动机的旋转速度比标准街车快 3.5 倍，效率更高，因此燃烧速度更快，产生更大的动力。

碰撞

赛车的速度和动力都很高，因此也存在发生危险碰撞的风险。NASCAR 比赛中最严重的碰撞加速度可达 80 G，也就是将你抛向地面的重力加速度的 80 倍。相比之下，游乐园的游乐设施的加速度最高可达 6 G。

安全元素试图延长碰撞发生的时间、距离和区域，以降低这些巨大的力量。其原理类似于逐渐停车比猛踩刹车更不颠簸，或者钉床将身体的重量分散到大面积上而不是躺在单个钉子上。

赛道外墙的 SAFER 护栏可以折叠，大面积分散碰撞力。赛车前端也可以折叠，从而延长撞击时间。

汽车中的碳纤维座椅比铝制座椅吸收更多的冲击能量。它们通过包裹肋骨和肩膀来稳定驾驶员，并将冲击力分散到更大的区域。

五点式安全带将驾驶员与汽车连接起来，再次扩大了撞击范围。它还将驾驶员与汽车连接起来，这样驾驶员就可以随着汽车的变形而减速，而不是继续全速前进直到发生撞击。

因此，下次您前往赛道或收看电视时，请思考一下 NASCAR 的一些物理原理，以及幕后工作的科学家和工程师为提高这项运动的速度、力量和安全性所做的贡献。

克里斯汀·赫尔姆斯 (Christine Helms) 是里士满大学物理学助理教授。本文最初发表于 The Conversation。