物理学中的功率公式告诉我们要功率等于牵引力乘以速度。汽车在爬坡时，不仅要克服地面摩擦力，还要克服重力做功，这就要求发动机提供极大的牵引力。由于发动机的最大输出功率是固定的，为了在牵引力需求增大时保持功率平衡，唯一的方法就是降低车速，通过变速器挂入低速挡来实现。
为什么汽车爬坡换低速档，平路换高速档？
汽车配备变速器的核心目的，就是为了适应不同的行驶工况。在平路行驶时，主要的阻力来源仅为轮胎与地面的摩擦力，这个阻力相对较小，因此不需要太大的牵引力。此时挂入高速挡，利用较小的扭矩就能维持较高的转速和车速，这样不仅能缩短行驶时间，还能有效节约燃油消耗。
根据能量守恒定律，在发动机总输出功率一定的情况下，速度和牵引力是成反比关系的。也就是说，速度越慢，能够提供的力量就越大；速度越快，力量反而越小。上坡时汽车受到重力分量影响，行驶阻力显著增加，为了克服这个巨大的阻力，必须降低速度以换取更大的牵引力，因此必须使用低速挡。
从机械传动的直观原理来看，这就好比变速自行车的齿轮比。在平路上，发动机连接的是较小的齿轮，发动机转一圈，输出轮能转很多圈，所以速度快。但在爬坡时，为了获得足够的力量，发动机连接的是较大的齿轮，发动机转一圈，输出轮只转半圈。虽然速度变慢了，但输出的力量却大大增强了，这就是低速挡最有力的根本原因。