Может ли двигатель автомобиля достичь красной зоны на высшей передаче?

С увеличением скорости возрастает сопротивление.

Предполагая ровный грунт.

Сопротивление — это сопротивление качению (практически постоянное) и аэродинамическое сопротивление, которое увеличивается со скоростью. Если удвоить скорость, сопротивление увеличится в четыре раза. На низких скоростях аэродинамическое сопротивление довольно низкое, но быстро увеличивается с ростом скорости.

Чтобы преодолеть сопротивление, нужна тяга (по сути, крутящий момент на колёсах).

Тяга зависит от крутящего момента (который меняется в зависимости от частоты вращения) и передаточного числа. При увеличении скорости требуется более высокое передаточное число при тех же оборотах двигателя. Но более высокое передаточное число снижает крутящий момент на колесах. Если вы можете поддерживать крутящий момент на более высоких оборотах (что, по сути, означает большую мощность), то вы можете использовать более низкое передаточное число при той же скорости движения, не снижая обороты.

Максимальная скорость — это точка, в которой сопротивление = тяге.

Много лет назад я создал этот веб-сайт (я использовал phpBB только ради безопасности), чтобы помочь настроить трансмиссию для мотоциклов, участвующих в гонках на максимальную скорость.

http://www.bikegraph.co.uk/TorqueGraphs.php

Вы можете выбрать транспортное средство и настроить передачу (на большинстве мотоциклов довольно легко настроить передачу главной передачи), а также построить график зависимости тяги от скорости с наложением оценки сопротивления, основанной на коэффициенте аэродинамического сопротивления.

это зависит от обстоятельств.
Передаточные числа высшей передачи варьируются в зависимости от автомобиля. Если она оптимизирована для максимальной скорости, то максимальные обороты будут такими же, как и максимально достижимые обороты. Если она предназначена для «спринта», то вы, скорее всего, сможете разогнать автомобиль до красной зоны. Если она предназначена для экономии топлива, то это будет длинная передача, рассчитанная на наиболее эффективную работу двигателя на скорости шоссе, которая обычно находится в нижней части диапазона оборотов.

Просто потому, что аэродинамические силы, противодействующие транспортному средству, соответствуют мощности, которую может обеспечить двигатель.

Потери на вращение (шин, шестерёнок и т. д.) на данном этапе незначительны. Баланс между аэродинамическими и вращательными потерями обычно «пересекается» примерно на скорости 64 км/ч (согласно всем исследованиям, которые я видел).

Если вы приподнимете ведущие колёса над землёй, то, конечно, сможете разогнаться до максимальной скорости на каждой передаче. Но когда вы пытаетесь сделать то же самое на гоночной трассе, всё зависит от сил, то есть сопротивления воздуха, которые противодействуют автомобилю.

Джеймс Мэй (Top Gear) хорошо объяснил, какой объём воздуха должен быть перемещён, когда он ехал на Bugatti Veyron на максимальной скорости... если я найду это видео... но вы найдёте его на YouTube.

Нашел одного :
введите описание ссылки здесь

Высшая передача предназначена для экономии топлива, а не для максимальной скорости.

На высоких скоростях преобладает сопротивление воздуха. Сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости, а мощность сопротивления воздуха пропорциональна кубу скорости

Двигатель можно приблизительно представить как механизм, создающий постоянный крутящий момент до красной зоны, после чего крутящий момент падает до нуля. (Да, это очень грубое упрощение.)

При определённой передаче крутящий момент, создаваемый двигателем, преобразуется в силу, воздействующую на колёса, которая соответствует силе сопротивления воздуха на максимальной скорости, то есть на предельной скорости на этой передаче.

На более высокой передаче тот же крутящий момент создаёт меньшую силу из-за передаточного числа. Таким образом, на более высокой передаче вы едете медленнее: передаточное число в 1,2 раза, √(1/1,2) = 0,91 раза больше скорости из-за того, что сила сопротивления воздуха пропорциональна скорости в квадрате.

На более низкой передаче тот же крутящий момент означает большую силу, поэтому теоретически вы могли бы ехать быстрее, если бы не ограничение по частоте вращения двигателя. Таким образом, без ограничения по частоте вращения вы могли бы ехать быстрее на более низких передачах. Но из-за ограничения по частоте вращения вы не можете достичь таких скоростей.

Было время, когда у автомобилей было 4 или меньше передач. Тогда высшая передача часто оптимизировалась для достижения максимальной скорости.

В наши дни, когда 6-ступенчатые механические коробки передач стали обычным явлением, высшая передача оптимизирована для экономии топлива, и обычно максимальная скорость достигается на второй по величине передаче. По крайней мере, так обстоит дело с автомобилями, оптимизированными для езды в обычных условиях. Спортивные автомобили — это совсем другая история.