超级计算机领域的托马斯·爱迪生——西摩·克雷（Seymour Cray）喜欢走在科技前沿。他成功地追求创造速度更快的计算机，以至于在冷战期间，美国国防部将他视为国家安全资源。
然而，在1996年9月的一个下午，70岁的克雷却成为一台笨重得多的机器的受害者。当时他正在科罗拉多斯普林斯驾驶一辆运动型多用途车（SUV），一辆汽车突然转向并撞上他的左后门。克雷的SUV逆时针旋转并翻滚了三次。尽管他系了安全带，但这次撞车导致他颈部骨折，两周后因严重的头部受伤而去世。“西摩·克雷之死的讽刺之处在于，超级计算机很早就被用于汽车行业，以模拟车辆的碰撞特性，”乔治华盛顿大学工程学兼职教授、国家公路交通安全管理局（NHTSA）事故调查部门前负责人卡尔·E·纳什（Carl E. Nash）说，“通过他的工作，克雷为道路安全做出了巨大贡献，但他却死于这种似乎与安全背道而驰的车辆。”
翻车致死事件令人震惊地普遍，在1999年35,806起交通事故乘客死亡事件中，近三分之一是翻车造成的。任何汽车都可能翻车，但SUV翻车的可能性要大得多，这一事实最近因福特探险者（Ford Explorer）上凡士通轮胎报告的故障而受到全国关注。这场争议揭示了令人不安的统计数据。根据NHTSA的数据，1999年死于交通事故的SUV乘员中，超过60%涉及翻车事故。相比之下，所有死于交通事故的汽车乘员中，只有23%涉及翻车事故。“从根本上说，大多数SUV是改装了旅行车车身的卡车，”曾担任SUV稳定性诉讼顾问的纳什说，“从物理学角度来看，它们根本不适合在路上行驶。”
翻车是与汽车相关的死亡事件的主要原因，1999年造成10,857人死亡，而SUV翻车的可能性是其他汽车的三倍。问题部分在于物理学——SUV重心较高——部分在于感知：SUV驾驶员没有意识到他们开得有多快，以及他们有多脆弱。
当然，与此同时，SUV非常受欢迎。十年前，轻型卡车和厢式货车仅占所有车辆的20%。现在它们占三分之一，预计十年内将占一半。“我们谈论的是很快将成为主流的车辆，”新泽西州格拉斯伯勒罗文大学机械工程副教授克莱·加布勒（Clay Gabler）说，“我们现在看到的任何问题都只会放大，每个人——汽车制造商、安全测试人员和像我这样的研究人员——都在努力追赶这一事实。”
根本问题是西摩·克雷很容易就能理解的。但和大多数司机一样，他可能没有意识到，每次他坐进SUV，他都在参与牛顿物理学的一场持续演示。驾驶SUV比驾驶普通汽车需要更多的技能和注意力，但许多司机似乎认为恰恰相反。他们“听收音机或讲手机，而不顾影响车辆的基本运动力，”《开得更快！》（Going Faster!）一书作者、康涅狄格州跳过理发师赛车学校的教练卡尔·洛佩兹（Carl Lopez）说，“然而，这些定律保持不变，无论你驾驶哪种汽车，从一级方程式赛车到巨型SUV。它们绝对会影响车辆的操控方式。”
运动定律的核心是车辆的重心，即物体质量处于平衡状态的点。“你真的可以把一个钩子挂在重心上，把汽车吊起来，它就会前后、上下、左右都完美平衡，”洛佩兹说。重心是影响车辆所有力——从刹车、加速到转弯——作用的唯一一点。它的位置，特别是它离地面的高度，对于理解车辆在道路上的稳定性至关重要。
汽车，像任何运动物体一样，必须遵守牛顿第一运动定律。一旦它运动起来，惯性将使汽车的重心以恒定速度直线运动，直到摩擦等力使其改变速度或方向。然而，即使汽车直线行驶，其四个轮胎——仅靠明信片大小的橡胶与路面接触——上的载荷也会发生剧烈变化。
例如，加速会将大部分载荷转移到两个后轮胎上。这会将驾驶员压回座椅，并减少前轮胎上的重量，从而降低它们改变车辆方向的能力。“在直线加速赛中，加速非常剧烈，载荷转移非常大，你有时会看到赛车的前部抬离路面，”洛佩兹说。刹车则产生相反的效果：平衡突然转移到前方，卸下后轮胎的重量，有时使其失去与路面的接触。轴距短（前后轮胎之间的距离）且重心高的汽车可能会剧烈地前后摇晃，以至于做空翻。
现代车辆前空翻的情况很少见，但侧空翻——翻车——并不少见。车辆最常在驾驶员试图转弯时翻车。由于汽车的重心保持直线运动，改变方向的唯一方法是转动前轮。（除了少数带有四轮转向的特殊车辆外，只有前轮胎可转向。）当轮胎侧向转动与行驶方向相反时，它们会产生一个横向力，该横向力受到反方向的相等力——有时称为离心力——的对抗，从而将汽车推向弯道外侧。
与直道上的加速和制动一样，转弯会导致汽车的载荷转向弯道外侧的两个轮胎。例如，在左转弯时，乘客侧轮胎，特别是前方的轮胎，载荷会增加。只要内侧轮胎上仍有一些重量，汽车就会保持直立。“但如果你内侧轮胎上完全没有重量，它们就会腾空而起，”洛佩兹说，“你就基本上是在骑自行车了。”在急弯和高速转弯时，司机很少意识到内侧轮胎会失重，因为轮胎可能离地面不到半英寸。但此时，任何一点——一阵风、外侧轮胎撞到坑洼或路缘或道路的软路肩——都可能导致汽车翻车。
车辆的弹簧、减震器和轮胎可以帮助控制这些力，但总的来说，翻车的趋势可以用一个简单的比率来量化。这个比率是通过将车辆重心的高度除以两个前轮胎中心之间距离（称为轮距）的一半得到的。比率越高，即所谓的静态稳定性系数越高，车辆保持直立的可能性就越大。这完全说得通：一块宽而扁的金属板比一个高而细的金属圆筒更难翻倒。但这对汽车设计师的启示并不总是显而易见的。
重心最低的车辆——有些赛车离地不到一英尺——非常稳定。但它们除了在平坦的赛道上行驶外毫无用处。洛佩兹说，如果大多数汽车都设计成赛车那样，“每次你去超市，都得叫拖车把你从减速带上拖下来。”因此，经过一个世纪的汽车制造，出现了一种折衷方案：大多数汽车建造得刚好足够高以避开道路障碍物，但重心足够低——离地约20英寸——以防止大多数翻车。
不幸的是，SUV的重心往往比乘用车高五到六英寸，而轮距大致相同。根据NHTSA汇编的数据，一款流行的2001年SUV车型的轮距为58.6英寸，重心离地27.53英寸。同一制造商最畅销的乘用车轮距为61.9英寸，重心离地21.7英寸。这些数字可能看起来相似，但它们结合起来，SUV的静态稳定性系数为1.06，而乘用车为1.43。从统计学上讲，这意味着SUV在单车事故中翻车的几率为37%，而乘用车翻车的几率仅为10.6%。要使SUV像汽车一样稳定，其轮距必须比现在宽20英寸。
汽车制造商联盟副总裁罗伯特·斯特拉斯堡（Robert Strassburger）认为，静态稳定性系数“将复杂情况处理得过于简单”。“驾驶员行为和天气被广泛认为是翻车事故的主要原因。即使在车辆因素中，悬挂特性、轮胎、惯性特性、先进操控系统和其他因素都直接影响车辆翻车的可能性。”诚然，仅仅数字不会导致车辆翻车，即使最容易翻倒的SUV如果驾驶得当也会保持直立。然而，根据NHTSA的说法，速度可能是翻车中“最重要的非车辆变量”，而SUV的设计似乎鼓励一些驾驶员比平时开得更快。
问题在于SUV最讨人喜欢的特性之一：其较高的驾驶位置，让驾驶员能看清交通状况。伦斯勒理工学院心理学助理教授罗恩·诺埃尔（Ron Noel）说，人们通过所谓的视觉流来判断运动。例如，从飞机上看，地面似乎在缓慢移动，尽管飞机正以每小时数百英里的速度飞行。相比之下，紧贴地面的赛车即使以每小时30或40英里的速度行驶，也会感觉速度极快。
在用摄像机放置在不同车辆中进行的实验中，诺埃尔开发了一个公式，将一个人对速度的感知与他离地面的高度联系起来。诺埃尔说，典型的SUV座椅比汽车高20英寸。“根据我们的模型，这意味着一个人驾驶SUV以每小时60英里的速度行驶时，他感知到的速度与一个人驾驶普通汽车以每小时40英里的速度行驶时相同。”因此，他说，SUV驾驶员往往过快转弯。当他们的轮胎失去对路面的抓地力时，他们可能会失控滑行，撞上路缘或软路肩，从而引发翻车。
防抱死刹车——许多SUV和汽车的标准配置——可能会加剧这个问题。每个轮胎上的传感器会在轮胎开始打滑时使刹车脉冲式地工作。当车辆直线行驶时，这工作正常。但如果驾驶员在转弯时或在转向避开障碍物之前猛踩刹车，物理定律可能会对他们不利。“当刹车脉冲式工作时，轮胎产生的摩擦力的力矢量与车辆运动的方向相同，”纳什说。当它们停止脉冲式工作时，轮胎突然抓住路面，汽车的力矢量横向移动。“这种间歇性的横向力实际上足以使一辆已经倾斜的车辆翻车，特别是当它重心较高时。”
尽管所有这些不利于SUV的因素都在起作用，但翻车不应该像它通常那样是一场灾难。联邦安全测试中，汽车以35英里/小时的速度进行正面碰撞，相当于车辆从约40英尺高处头朝下坠落。翻车造成的冲击力不应该有那么严重。“在翻车中，车辆在翻滚时很少离地超过一英尺——如果车顶足够坚固，里面的人会感到震动，但不会受伤，”纳什说，“但如果车顶压在你身上，那就完蛋了。”不幸的是，SUV的车顶比普通汽车更容易塌陷。再一次，简单的物理原理对SUV车主不利。那是因为当任何物体翻滚时，它都围绕着通过其重心的一条纵轴旋转。在乘用车中，车顶的角落和轮胎的外边缘大致沿着这个筒体的周长。“所以当乘用车翻车时，它会比较平稳，”纳什说。在典型的SUV中，车顶边缘比筒体高出五六英寸，因此车顶撞击地面的冲击力更大，乘客更容易遭受致命的头部损伤。
汽车制造商正努力使SUV更安全。例如，2002款福特探险者（Ford Explorer）的轮距比其前代车型宽了两英寸半。这远未达到与现有福特金牛座（Ford Taurus）稳定性匹配所需的20英寸宽度，但福特认为这一改变将使车辆的翻滚阻力评级从两星提高到三星（总分五星）。（相比之下，金牛座获得了四星。）该公司还在更换探险者老旧的后悬挂系统，该系统中的后轴通过两个前后板簧固定。新的独立螺旋弹簧悬挂将使每个车轮能够应对单独的载荷，从而提供更平稳的驾驶体验和更好的操控性。可选的侧气帘将在翻车时保护驾驶员和乘客，并且特殊传感器将使气囊保持充气长达六秒，而不是标准的几分之一秒，以防车辆多次翻滚。福特卡车工程经理雷·尼科西亚（Ray Nicosia）表示，其结果将是“迄今为止最安全的探险者”，这一点已通过广泛的公司测试证明——包括使用克雷计算机进行的碰撞模拟。卡尔·纳什（Carl Nash）认为，SUV还有很长的路要走。“我们有能力通过在设计上投入更多资金使SUV更安全——这包括更宽的轮距、更低的重心和更坚固的车顶，”他说，“在我们看到这些变化之前，简单的物理原理将占上风：重心较高的车辆将比重心较低的车辆更容易翻车，并导致更多人死亡。”
SUV处于十字路口
两年前，德克萨斯大学工程师卡拉·科克尔曼（Kara Kockelman）和她的学生拉希尔·沙比（Raheel Shabih）拍摄并计时了奥斯汀两个交叉路口行驶的汽车。平均而言，乘用车从进入交叉路口到下一辆车进入需要1.73秒；SUV需要2.44秒。在额外的0.71秒中，0.4秒仅用于移动更长、更笨重的SUV。但另外0.31秒则浪费在SUV后面，因为车辆迟疑不前——大概是因为驾驶员的视线受阻。十分之七秒可能看起来不多，但它累积起来。科克尔曼计算，如果驾驶员的时间价值每小时10美元，一辆每天在拥堵城市驾驶一小时的SUV，在其使用寿命内，与乘用车相比，将额外花费4000至7000美元的延迟成本。——C.R.
一个沉重的问题
当SUV撞上乘用车时，SUV通常会占上风。这不仅是重量问题——SUV平均比普通汽车重900磅——更是设计问题。SUV倾向于分两部分制造：一个钣金车身安装在一个梯形车架上，该车架由两条钢梁组成，沿底盘长度方向延伸，并在前方像雪橇的滑轨一样向上弯曲。在碰撞中，这个梯形车架“就像一个攻城槌”，罗文大学的克莱·加布勒（Clay Gabler）说，他曾与前美国国家公路交通安全管理局同事汤姆·霍洛韦尔（Tom Hollowell）一起研究SUV的“攻击性”。SUV的横梁不会溃缩并吸收冲击，而是倾向于滑过汽车的保险杠和门槛，刺入另一辆车的乘客舱。
最危险的碰撞是当一辆车侧面撞击另一辆车时，因为那里乘客的结构或保护很少。在这种情况下，SUV尤其危险，因为它们的保险杠比普通汽车高10英寸。它们不是停在乘用车车门处，而是可以骑过门槛并撞击乘员的头部。加布勒和霍洛韦尔计算出，当一辆普通乘用车侧面撞击另一辆车时，撞击车内人员的死亡率比被撞车内人员低五到六倍。但当SUV发生撞击时，车内人员的死亡率比被撞乘用车内人员低20倍。“这是一个惊人且真正令人恐惧的统计数据，”加布勒说。
即使人们在车祸中没有被压碎，他们的身体也经常猛烈撞击安全带、仪表板、方向盘或车窗，剧烈的减速可能导致内出血或更糟。当两辆质量相同的汽车以相同的速度迎头相撞时，它们的动量相互抵消，汽车会立即停止。但当一辆SUV迎头撞上乘用车时，它的动量会迫使较轻的汽车向后移动。这可能导致较小汽车的速度发生剧烈变化，并增加受伤风险。
制造商已经开始进行一些安全改进，例如将保险杠降低几英寸。尽管如此，加布勒说：“你可以安装所有你想要的安全功能，但你仍然无法改变基本问题。它们更重，车架更坚硬——随着这类车辆数量的增长，我们才刚刚开始看到这将带来的问题。仅仅关注人们在SUV中如何幸存，如果他们撞到所有人都会致死，这在社会上是不够的。”——C.R.
胎面计算
一辆两吨重的SUV仅靠约60平方英寸的轮胎胎面支撑，因此它很容易打滑——如果轮胎折叠或撞到路缘则会翻车。令人惊讶的是，更宽的轮胎并没有帮助，因为关键因素是轮胎之间的距离。充气不足的轮胎抓地力更好，但更容易变形。
死亡之弯
当汽车转弯时，它的动量使其向前运动，而前轮则迫使其侧向运动。在右转弯时，这会使大部分压力集中在左前轮上。如果汽车速度足够快，右后轮会首先抬离路面，然后是右前轮。如果汽车是SUV，重心较高，它很可能会继续翻滚——以左前轮为支点翻滚。
关于护栏的问题
全国道路和高速公路沿线有数十万英里的护栏。但根据马萨诸塞州伍斯特理工学院土木工程副教授马尔科姆·雷（Malcolm Ray）的说法，大多数护栏对驾驶皮卡车或SUV的人没有任何帮助。雷曾使用计算机模拟各种碰撞场景，其中一辆皮卡车以65英里/小时的速度在高速公路上飞驰，以25度角撞向护栏。“通常，这些车辆会越过护栏，”他说，“如果它们恰好被限制在路面上，有时它们会翻车——这绝不是好事。”雷此后通过研究实际事故证实了这种模型。他说，并非所有护栏都有问题：最坚硬和最柔韧的护栏似乎都能很好地将卡车留在路面上而不会使其翻车。但大多数金属护栏的刚度恰好足以造成麻烦。“这些护栏存在于每个州，”雷说，“我甚至还没有开始估算更换它们的成本。”——C.R.
汽车制造商联盟网站：www.autoalliance.org。
有关国家公路交通安全管理局翻滚阻力评级的更多信息，请访问www.nhtsa.dot.gov/hot/rollover/Index.html。有关2001年车型的NHTSA评级，请参阅www.nhtsa.dot.gov/hot/rollover/Index.html#chart。
