为什么我们不用氦气

   2016-01-21 16:29

知名自行车外媒《Cyclist》提出了一个问题:在自行车运动中,器材重量是非常重要的因素,尤其是轮组的重量,既然如此,我们为什么要在车轮中充入空气,而不是更轻的氦气呢?

用风趣的文笔阐述科学道理,相信大家会喜欢这篇文章。

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1972年,车王艾迪·莫克斯(Eddy Merckx)备战1小时记录挑战时曾希望轮胎能够用比空气更轻的氦气来填充。但由于为他准备战车的欧内斯特·可纳格(Ernesto Colnago)没能找到氦气,只好作罢。当然这并不影响他创造一个新的记录,毕竟他使用的车架在当时已经轻量化到极致。

但如果使用氦气的话,会有什么变化呢?能降低多少重量?为了得到一个科学的答案,我们必须脱掉西装马甲和太阳镜,换上实验室的白大褂和护目镜。

假设你正骑着一辆700c轮径,25mm胎宽的公路车。这样你的每个轮子中容积大约不到1升。为了有一个公认的标准,我们再假定骑行在海边,这样外界的气压就大约为1个标准大气压,而且天气很冷,气温大约为0℃。所有变量都已经确定,我们就可以开始进行计算,解开疑惑。

如果你的轮胎没有充气,内部气压就与大气压相同,大约14.5psi。每个轮子中的空气质量约为1.24克,一对轮组大约2.5克。当然,你很明智地将轮组充气到100psi的压强,这样大约是挤进了7倍摩尔数的空气,这时,充入两个轮胎的空气重量大约是17g。

不幸的事情发生了,你遭遇了摔车,更难以置信的是居然两个轮胎同时爆胎了。作为一个机智的车友,你当然带足了备胎,但摔车时气筒把手也折断了。

幸运的是一个卖气球的小贩正好路过。他同意用他充气球的氦气为你打气,但要收个一升7元的淘宝价,两个轮子打折,总共10元。虽然费了些力气,但通过气筒的连接头,你还是完成了车胎充气,用手检查一下,正好100psi,又可以上路了。

马上你就可以感觉到不同,加速快了很多。填充在每个轮胎中的氦气重量大约是1.18g,全车重量降低了差不多15g,相当于3根辐条的重量。

但没走多远,你的两个轮胎就再次同时漏气了。这时正好一辆运输试验气体的卡车停在边上,好心的司机同意在换胎后给你充一些氢气。表示感谢过后,你再次骑车者离开了。这次你骑得更快了因为现在充在每个轮胎内的气体仅有0.59g重。与充空气相比,整车大约轻了4根辐条的重量。

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看到你骑得那么开心,一个哈克尼自行车俱乐部的车友骑了过来,他是英国大学学院的化学教授安德里亚·萨拉(Andrea Sella)。他对于你快得惊人的加速非常好奇,于是你兴高采烈的告诉他你的经历。

教授却说道:“有一个小问题,因为氦气和氢气分子比起空气中其他气体分子要小很多,它们可以穿透容器,而且分子活动速度也更快,所以你会发现很快就有需要再次充气了。这就和氦气球跑气快是同样的道理。”

这时,侧风将你吹离了路面冲进了排水沟。你的前轮不幸压在了一片碎玻璃上,漏气的前胎碾过了一个尚未完全熄灭的烟头。你迅速脑补了好莱坞电影中的爆炸片段,弃车趴到在地上。

萨拉在边上耸耸肩,淡定得说:“氢气分散很快,所以并不容易着火和燃烧,如果是这样的话你需要几百辆充填了氢气的自行车在封闭的仓库内,然后同时爆胎。”他一边递给你新的内胎和打气筒,一边告诉你:“如果你很担心的话,应该改用氦气,尽管重了一倍,但氦气是惰性气体,不能燃烧。”

在你向他解释你试过氦气之前,英国国家物理实验室的迈克尔·德伯斯塔(Michael de Podesta)博士打来电话指出了氦气的缺点,“氦气的压缩率比空气低,所以骑起来会很硬。”他说:“氢气则比空气要软,现在前轮里是空气,在坑坑洼洼的路面上,这是最好的选择了。”

骑了这么长时间车,你也饿了,于是找了一家咖啡厅要了一杯热咖啡和一份红豆吐司,你发现和你同桌的是英国国国家物理实验室的荣誉成员戈登·爱德华兹(Gordon Edwards),他告诉你在轮圈上节省的重量比起车身其他部分和车手本人更加有效,无论是使用更轻的轮胎还是填充较轻的气体,加速和滑行下坡的时候效果明显。

有些尴尬,这时你的肚子咕噜噜叫了起来,这提醒了你问问轮胎内气体的运动。“刚开始的时候,气体不会转动,但由于摩擦力,气体很快就会达到和轮胎一样的转速。”爱德华兹说:“空气的粘性更好,可能是最后一个达到相同速度的,但达到平衡的状态也就几秒的时间。”

另一位车友听到了你们的谈话,靠了过来,补充道:“你起步的时候后轮中气体产生的压力会更大,刹车的时候则反过来,前轮内的压力更大。”你看到靠过来的人是爱达荷国家实验室的原子核科技主任理查德·马蒂诺(Richard Martineau)博士,并没有与他争论。

这时,你再也无法忍耐身体排泄气体的冲动了,只好匆匆告辞,在离开的路上,你想到:一般来讲,只要坚持排泄气体3周零2天,也可以达到和氦气相同的轻量化效果,似乎这也是个好选择,不是吗?!

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