[中配]如何設計歷史上最快的車輪

本集真實工程由Skillshare贊助 Skillshare提供超過1600門課程 可以教你新的生活技能 前500名通過描述中的鏈接註冊的人 將獲得2個月的免費試用期 1997年10月15日 Trust SC成為第一個突破硬仗的陸地車輛 以驚人的1228公里每小時的最高速度 打破了陸地速度紀錄 這個紀錄至今仍然存在 20年過去了 創造這一工程奇蹟的團隊 現在正致力於在改進版的Bloodhound SC上 打破他們自己的紀錄 一輛希望達到驚人里程碑的車輛 時速1000英里或1609公里 對於我們這些生活在文明世界的人來說 製造能夠達到這些速度的陸地車輛 帶來了獨特的工程挑戰 今天我們將探討一個 甚至限制了布加迪騎龍最高速度的問題 如何設計一個能夠承受 這些速度下極端力量的車輪 在設計高速汽車時 有兩個物理問題 會隨著行駛速度的提高 而不成比例的增長 首先車輛所遇到的阻力 隨著速度的平方增加 隨著速度的提升 每單位馬力所帶來的最高速度回報 會逐漸減小 但這是未來視頻中的一個問題 今天我們將探討第二個問題 輪胎在高速下所承受的巨大慣性力 如果你看過我關於人工重力的視頻 你會知道旋轉的物體 會經歷於角速度的平方 乘以離旋轉中心的距離 乘正比的重量增加 這個現象可以用來在太空中 創造人工重力 但如果過多的重量 放置在飛船外部 或旋轉的太快 可能會導致飛船撕裂 慢動作達人 做了一個令人驚嘆的實驗 他們將一張光盤 旋轉到每分鐘23000轉 最終在自身慣性的重壓下碎裂 這種效應是目前限制 像布加迪、騎龍、亨尼斯基 毒蛇和科尼賽克、阿根拉等 汽車達到300英里每小時 這個輝煌里程碑的關鍵因素之一 就在這個月 Adler打破了量產速度紀錄 以277.9英里每小時的最高速度 最接近這個里程碑 在地球上沒有任何輪胎 能承受高速下的慣性力量 橡膠會直接從輪轂上剝離 但顯然我們並沒有太遠 然而這些車的速度 與Trust SC保持的 陸地速度紀錄相差甚遠 那麼Trust SC在1997年 刷新陸地速度紀錄時 使用了什麼樣的輪子呢 那麼Thrust SC在車輪方面 有一個主要優勢 除了剎車和轉向 輪子在牽引力方面 幾乎沒有太大用處 因為輪子並不用於 將發動機的旋轉運動 傳遞為線性運動 它的推進來自於 噴氣發動機和火箭 這些車輪只需支撐 7.5噸的車輛重量 讓它在地面上滾動 並擁有足夠的側向牽引力 以便讓駕駛員能夠操控車輛 在更高的速度下 這甚至變得不再必要 因為車輛的大部分轉向力 來自空氣撞擊傾斜車輪的力量 Bloodhound的動力 來源於EJ200噴氣發動機 這也是歐洲颱風戰鬥機所使用的 還有一個更強大的 混合火箭發動機 在最快的時候 Bloodhound的輪子 每分鐘將旋轉1000次 利用之前的那個公式 結合車輪半徑為76.5釐米 我們可以計算出 輪圈外部的任何質量 將承受5000倍的重力加速度 一公斤的糖袋 和一輛滿載的拖掛車的重量 是一樣的 考慮到這些問題 讓我們開始設計 時速1000英里輪子的過程 第一步是選擇材料 這將決定我們設計過程中的 很大一部分 因為設計將根據材料特性 和製造技術的不同 而有所變化 如前所述 1000英里並不是一個大問題 因此我們可以放棄橡膠輪胎 改用實心金屬輪 這樣更能承受 旋轉輪帶來的離心力 這種金屬 不僅需要足夠強大 以承受這些力量 還需要輕便 以最大限度地減少慣性力 除此之外 材料還需要能夠吸收損傷 這就是為什麼碳纖維輪 無法成為選擇的原因 因為在這樣的速度下 如果材料過於脆弱 意外撞到石頭 可能會導致整個輪子破碎 這些是一組非常特殊的要求 而鑄造的航空航天級鋁材 最能滿足這些要求 既然材料已經選擇好了 我們可以開始鍛造批料 為了鍛造這些車輪 團隊使用了巨大的鋁合金 7037定料 將其加熱至390度 並用3600噸的鍛壓機進行壓縮 這裡的鍛造傢俱操作員值得稱讚 因為他將這個Cylindrical Billet 精確地壓製成一個壓縮盤 這就是我們的批料 這將被傳送到矽牀上 以將輪子矽削成最終形狀 將鑄造材料 也就是通過將熔融鋁 倒入模具中形成的材料 轉化為這種鍛造材料 使得材料的強度大大增強 當熔融鋁冷卻變為固體時 晶體結構會從成合點隨機生長 就像雪花從單個冰晶中生成一樣 這因不可預測的過程 導致了不同晶體顆粒之間 形成隨機的晶體尺寸 晶粒方向和空隙成為味錯 當這種固化的助力被壓縮時 晶粒的密度增加 味錯積聚 從而增加了導致 大規模變形所需的能量 這個過程稱為加工硬化 它大幅提高了材料的強度 但也使其韌性下降 但在這種情況下 這是可取的 因為我們不希望輪子 在使用過程中膨脹 現在我們有了毛坯材料 可以開始圓形製作過程 我們不想使用這種昂貴的材料 來進行圓形製作 失敗的設計將非常昂貴 團隊將首先從一些 基本設計參數開始 比如輪子直徑 他們隨後將確定車輛穩定性 和承受預期壓力所需的一般厚度 使用這些參數將生成一個模型 並進行計算測試 我們使用SIM Scale對雪夯的車輪 受到的慣性力的硬力和變形 使用這樣的工具 工程師們將完善設計 一旦找到合適的設計 就會開始使用更便宜的材料 進行圓形製作 如今許多工程公司 在設計驗證環節使用3D打印 但Bloodhound團隊 使用了一種便宜的助力車輪 他們將這個輪子 安裝在一個拖車上 模擬了血犬在單個車軸上的重量 這幫助他們發現輪子 沒有充分將負載分佈在沙漠表面上 這意味著它正在穿過表層 並在下面的堅硬基岩上行駛 這會損壞輪子 回到設計圖紙上 增加車輪的接觸面 這個設計和圓形製作過程 將會一直重複 直到找到合適的設計 一旦最終設計確定後 昂貴的鍛造鋁材 就被送入束控吸牀 後者使用計算機引導 將車輪切割成最終形狀 然而當一塊硬化的材料被加工時 會擾亂在鍛造過程中形成的壓縮力 加工過的金屬表面 就像一瓶壓縮空氣 微小的洩漏可能會導致爆炸 它想要膨脹 因此如果這個材料的表面出現裂縫 這些膨脹的力量將增加裂縫擴大的機會 因此另一種表面處理方法稱為 車間強化 通過向加工產品的表面 發射成千上萬的小球 來引入一層更高壓縮的薄層 這有助於材料抵抗裂縫的擴展 這個最終產品再次送去進行設計驗證 在受控環境中旋轉到高速 以確保它能夠安全地 讓這輛驚人的車輛達到超音速1.3倍的速度 就在兩個月前 Bloodhound SC在康沃爾機場完成了 時速200英里的測試 Bloodhound在接近8秒內達到了這一最高速度 0-60英里的加速時間僅為2秒 比布加迪威隆快了半秒 此次試跑只在測試 歐洲戰鬥機颱風發動機 並向公眾展示該車輛 畢竟目標並不是打破紀錄 他們已經憑藉Trust SSC創造了紀錄 真正的目標是激發人們對工程的熱情 分享熱情和技能是這個頻道成立的初衷 今天我想向你推薦一個 在Skillshare上的精彩課程 它教你世界上最重要的技能之一 講故事 我不想讓這個頻道成為另一個 僅僅在沒有真實背景下解釋科學的科學頻道 工程領域的魔力在於工程師的動機 而為了分享他們的故事 我必須學會如何講述一個引人入勝的故事 這項技能在生活中的許多方面 都對你有幫助 分享你公司的故事可以將其推向新高度 這正是我今天推薦的 Keith Yamashita所謂蘋果 通用電器和eBay等公司所做的 在這門課程中 基思將帶你瞭解一個精彩故事的構成要素 以及創作和潤色故事的方法 前500名通過此鏈接註冊Skillshare的人 將獲得兩個月的免費試用 可以觀看這門課程或其他17000課程 涵蓋從平面設計到遊戲開發的各種主題 高級會員每月大約10美元 可以無限訪問所有課程 但在這兩個月的免費期間 你可以輕鬆學習啟動新愛好 或業務所需的技能 就像我通過這個頻道所做的那樣 所以請你現在問問自己 哪些技能是你一直拖延學習的 你一直夢想著完成的項目是什麼 但不確定自己是否具備完成它的技能 為什麼不現在就開始 點擊下面的鏈接註冊Skillshare呢 你沒有什麼可失去的 還有一個寶貴的生活技能可以獲得 和往常一樣感謝觀看 也感謝所有支持我的Patreon的朋友們 如果你想查看更多我的內容 可以在下面找到我的Instagram Facebook和Twitter的鏈接