汽車「輪」流轉｜星島教室

全球各地的馬路上，每天都有大量車輛往來穿梭，就像血液為人體運送養分和氧氣，汽車運送着數以億計的人群和貨品到達目的地。而汽車的普及，以及車輪的演變，科學的發展實屬功不可沒。

一切由「摩擦力」開始

遠古時代，人類搬運重物時通常透過人力，最多也只是利用繩子、木橇等工具幫忙拉動，可是要拖動的物件直接與地面接觸，會產生龐大的摩擦力，阻礙物體前進。這樣做不但費力，而且效率甚低。後來，聰明的古人嘗試將圓木加在木橇下，發現更為省力。這構成了車的雛型，為將來的汽車發展邁出了第一步。

可惜，圓木與地面接觸範圍並沒有減去多少，摩擦力仍然是一大障礙。約5000年前，古人想到將圓木切下來，配上幼身的車軸，與地面接觸的就只剩下實心車輪的部分。後來，為了不受圓木大小的限制，更巧妙地將木板拼接成木輪。當擁有這種木輪的車身，再加上被馴化了的動物，使可載人載物的拉車首次出現在浩瀚的歷史當中。

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木輪車誕生

遺憾的是，實心或拼接而成的車輪在凹凸不平的路上行駛，不但笨重，速度不快，而且很快損壞。直到公元前2000年左右，埃及人發明了軸條輪：將木頭加熱彎曲，拼接成一個輪圈，再以4至8條木製輻條代替原有的木盤，連接中央的輪穀，支撐起整個輪圈。這種車輪不但減輕了車輪的重量，減少所需的拉力，而且能吸收來自路面的震動，抓地力亦更強。這個車輪歷史上的創舉，使越來越多的車輛投入戰爭之中，創造了戰車這古代戰場上的霸主。及後，戰車車輪外圍更加入皮革、銅釘或鐵圈，令車輪使用壽命更長。一輛輛戰車馳騁沙場，以車輪力量征服不少地區。

木輪車前進了數千年，技術上革新緩慢，連當初叱咤一時的戰車亦被騎兵所淘汰。哪怕是最普通的獨輪車，還是傳說中的「木牛流馬」，也只是用作搬運有限數量貨品的工具。

從「蒸汽機」到「內燃機」

經過漫長的等待，終於來到1776年，詹姆斯．瓦特成功改良出可供商業應用的蒸汽機。蒸汽機利用加熱的水蒸氣，推動活塞，產生機械能，可惜原有的設計因每次要等待機件冷卻，效率較低。而瓦特為蒸汽機引入了分離冷凝器，允許蒸汽在一個獨立的冷卻室中冷凝，保持氣缸的熱度，減少了能量損失，提高效率。他還引入了連桿和齒輪系統，將原有機內活塞的直線運動轉換為旋轉運動，使蒸汽機可以更方便地驅動各種機械設備。蒸汽機使這巨輪又再滾滾前進，不到40年後，蒸汽火車的雛型面世，揭開了人類交通史新一頁。

可是，蒸汽火車與現今的汽車仍相距甚遠，怎樣才可拋棄路軌和偌大的火車頭呢？有工程師嘗試設計一輛由蒸汽驅動的三輪車，但最終未能普及應用。幸好，1876年，德國工程師奧圖發明了第一具四行程內燃引擎。這種內燃機透過燃燒汽油等燃料，使燃料在機械內部與空氣混合燃燒，產生熱能。氣體受熱膨脹，通過機械運動和氣缸內的壓縮及燃燒，將其轉換為機械能。1885年，賓士汽車公司創辦人卡爾．賓士成功製造了由內燃機推動的三輪車，被世人認為是現代化汽車的發明者。從此，貼近現代定義的汽車正式走進歷史舞台。

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硫化橡膠輪胎新突破

隨着動力來源日漸革新，更高效的車輪亦應運而生：人們開始嘗試在車輪的外圍圍上橡膠，發明了實心的橡膠輪胎。1852年，美國人查理斯．固特異更發明了硫化橡膠。橡膠與硫產生化學反應，使橡膠分子鏈之間形成穩定的連結，令輪胎更有彈性，不易撕裂。直至1888年，英國獸醫約翰．登祿普成功量產充氣橡膠輪胎，大幅提升避震效果，使乘車的過程變得更為舒適。

及後，輪胎刻上防滑的坑紋，添加鋼絲、尼龍等物料，甚至研發出能征服各種地形的越野輪胎、支援多方位移動的麥輪、不會被刺穿的免充氣輪胎。時至今日，工程師仍力臻完美，盼做出更好車輪設計。

新能源車邁向自動駕駛

隨着全球環保意識的提升，能源成為汽車發展的重要考量。電池技術的進步使電動車的續航能力不斷提高，車內的電動機效率更高，行駛過程中排放溫室氣體較傳統汽車少，還能提供卓越的性能。氫能車能將氫氣輸送到車內的氫燃料電池，讓氫與氧產生化學作用發電，亦是備受關注的新寵兒。中國政府近年積極推動新能源汽車的發展，電動車、氫能車相信已成為汽車發展的未來趨勢。

而最大機會改變我們未來出行方式的無疑是自動駕駛技術的發展。它利用了高精度的感測器（如雷達、激光測距儀和攝像頭）及人工智慧算法控制汽車。現時已有部分汽車實現有條件的自動駕駛，用作輔助或代替司機駕駛。

目前，在中國部分城市已提供自動駕駛的無人計程車服務，它們會根據指示駛到指定地點，載送乘客到目的地。這技術相信能減少交通事故的發生，提高交通流量，減少擁堵現象。

相信在不久的將來，新能源汽車配上完全自動駕駛的世界將會來臨，但我們也不必驚訝。因為汽車演變的時代巨輪在這數千年來也是如此不斷向前推進，把我們驅動往更美好的世界去。

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小思考，大智慧

1. 你知道橡膠輪胎剛發明時是甚麼顏色嗎？
2. 現時的橡膠輪胎是甚麼顏色？

參考答案

1. 橡膠輪胎剛發明時是白色的。只要在橡膠樹上割上一刀，樹就會流出白色的汁液，這些樹汁就是天然橡膠。因為橡膠輪胎使用了固化的天然橡膠，所以是白色的。你看過米芝蓮輪胎公司的吉祥物，那個胖胖的輪胎人嗎？這就是他身上輪胎是白色的原因了。
2. 現時的橡膠輪胎是黑色的，因為自從1910年代後，幾乎所有輪胎都加上了炭黑這材料。炭黑能令輪胎的耐磨性變強，使輪胎的使用壽命提升，所以得到廣泛使用。

本欄逢周四刊登，由教育評議會邀請資深中小學老師、校長及大學講師撰稿，旨在為學生提供多元化的STEAM學習材料，引發學生探求知識的興趣，將學習融入生活，培養學生的世界觀、敏銳的觸覺、積極學習的態度。

文：中華基督教會基慧小學（馬灣）STEAM統籌主任黃潤權、中華基督教會基慧小學（馬灣）科學科老師褚鴻鵬