发动机为什么需要变速箱？用转速控制速度和扭矩可行吗？

发动机为什么要配备变速箱？这其实是一个关于能量守恒的问题，虽然工程上计算非常复杂，但我们可以用简单的物理原理来解释:

我们知道，当挡位越高时，速度会更快，但最大扭矩会相应降低。如果挡位选择不当，可能会导致燃油浪费，车辆速度无法提升，甚至可能熄火。这些现象都与扭矩，物理学上称为力矩有关。力矩决定了发动机的力量。

举个例子，假设半径为30厘米的车轮，能产生1000牛的推力，那么这个车轮的扭矩就是30cm x 1000N = 300N*m。在汽车中，最大扭矩主要由发动机决定，因为汽缸推动的力量是有限的。但是，当需要爬坡或起步时，如果扭矩不足，该怎么办呢？我们可以通过提升力量来解决这个问题。

我们都知道，「杠杆原理」可以用来提升力量。用长的一边轻轻撬动，短的一边就会产生很大的力。在汽车中，这种杠杆原理被转换成了齿轮组。通过改变齿轮组的齿数比，车轮转速降低，但发动机的转速增加。这样，车轮在相同距离内转动更少圈，而发动机转更多的圈，从而产生更大的扭矩。

根据能量守恒定律，做功的能量W = F * s，其中F是力，s是距离。在能量不变的情况下，距离增加，所需的力就会减少，但总的做功仍然保持不变。变速箱正是利用了这个原理，让发动机需要转更多的圈数，从而在车轮处产生更大的扭矩。

通过变速箱，汽车可以根据不同的行驶需求，选择合适的挡位，从而优化扭矩和速度的平衡，提高燃油效率和驾驶性能。因此，变速箱的存在对于汽车来说是至关重要的。