轮胎的宽窄和摩擦力大小有关吗?

假定都是场地竞速赛,赛车的轮胎很宽而自行车的却很窄,当然这是分别和普通的汽车与自行车比较而言的。但是,摩擦系数(静、滑动、滚动)应该与面积无关。宽窄的意义何在?

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4个答案
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少个螺丝乳品专业博士,科学松鼠会成员

2012-08-18 06:38

经典物理学的摩擦力是应用在不可形变的物体上,而轮胎的橡胶是会发生形变的,因而并不适用。在现实中,更宽的轮胎可以提供更大的“静摩擦力”,也就是抓地力。

对于赛车来说,启动和加速以及减速的过程,依靠的都是轮胎和地面的摩擦力,因而轮胎越宽大,同样功率的引擎同样条件下就能获得更大的加速度。宽的轮胎由于与地面之间的摩擦力大,在高速转弯的过程中也有助于为汽车提供一个向心力,从而避免汽车侧滑滑出赛道。而且汽车的动力是引擎提供的,可以认为是不会像人一样“累”,所以如何尽可能多地把动力传递到轮胎很关键。如果给F1赛车装上自行车轮胎,那肯定就像冰上行车一样,原地打滑。

对于自行车来说,由于一般路面人不至于把自行车踩出烧胎效果来,所以在不烧胎的前提下,尽可能地减少轮胎和地面的摩擦力更有助于骑车人骑行。如果轮胎气压一样大的话,那么同样的载重,轮胎和地面形成的接触面积是一样的,只不过窄轮胎形成的是沿着行驶方向的长条,而宽轮胎更接近于垂直于行驶方向的长条。而前者会导致轮胎从侧面看更不圆一些,因而实际上这时候窄轮胎行驶阻力略大一些,尤其是低速行驶的时候。所以城市自行车轮胎适当宽一些更省力。打气打足一些也会省力,但是会损失舒适性。

而那些竞速专用的自行车之所以都是窄轮,是因为那种窄轮胎的气压要远高于普通自行车,轮胎在负重时形变也很小。在高速行驶时,窄轮胎的摩擦力不是限制因素,而空气阻力却更小,自身重量也更轻。

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观星人无机化学博士生,天文爱好者

2012-08-18 04:32

滚动摩擦力,是物体滚动时,接触面一直在变化时所受的摩擦力。它实质上是静摩擦力
接触面积决定滚动摩擦力的上限,超过上限之后就会发生滑动。

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George-_-Carlisle(民间)科学爱好者、日语专业

2012-08-18 07:37
支持者: c.chang.x

@少个螺丝
1.
>因而轮胎越宽大,同样功率的引擎同样条件下就能获得更大的加速度。
>尽可能地减少轮胎和地面的摩擦力更有助于骑车人骑行。
这两句话的逻辑不是矛盾的吗?
2.
首先我想这里讨论的自行车是后轮驱动的,所以前轮只有阻力没有动力,而后轮可以是动力提供的关键。
但比赛用的汽车就不一定了,四轮驱动的情况,前后轮都是提供动力的。
3.
>如果轮胎气压一样大的话,那么同样的载重,轮胎和地面形成的接触面积是一样的,只不过窄轮胎形成的是沿着行驶方向的长条,而宽轮胎更接近于垂直于行驶方向的长条。
1)不知道这个理论是从哪里得来的,但根据本人的亲身体验,用同一根打气筒打出来的最大气压应该是差不多一样的。本人骑过普通轮胎(上世纪80年代最普遍的凤凰、白山之类的车)和宽轮胎的车(山地车、越野车),如果气压都是本人能打出来的最大气压,宽轮胎的车骑起来明显要吃力很多。主观推测应该是因为前轮的阻力更大了。
2)如果形变后的接地面积真的跟压强是一样的,那么不妨假设一种极端情况:窄轮胎真的很窄很窄,而宽轮胎真的很宽很宽,那么如果需要保证两者的接地面积一样,宽轮胎只需要形变一点点,窄轮胎就要发生相当大的形变才能保证“接地面积”跟宽轮胎一致,甚至这个形变的效果要超出轮毂继续向内,这显然是不可能的。所以结论是:面积——压强一说,过于牵强。如果有数据支持,请给出来源。
3)除了轮胎内外的气压差,如果是自行车的话,橡胶自己本身的弹性形变也要考虑在内,汽车因为轮胎比较大而厚重,相对来讲橡胶本身的形变影响可能不是那么大。自行车的轮胎再怎么宽大厚重,相对来说也是细长的多,这种时候橡胶的弹性也不能忽视。
4.
通篇来看,螺丝前辈考虑的情况是赛车的引擎非常强劲,强到可以后轮打滑的程度,那么前轮的阻力呢?F1赛车的设计,一般前轮要比后轮小而窄,除了空气阻力,我想,地面的摩擦力也是很重要的考虑因素。
5.
侧滑,考虑抓地力的话,侧滑应该更容易观察。宽轮胎的形变可承受范围比较大,所以防止侧滑所需要的形变对轮胎整体的影响也相对小,而轮胎越窄,受到同样程度的形变,体现在其上的效果就越明显。作为一辆赛车,当然是形变越小越稳定了。

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我最近也想了这个问题。如果不考虑摩擦力的次级因素的话(经典的最大静摩擦与接触面积是无关的)。我认为有以下几个原因:
1 稳定性。较宽大的轮胎能提供更大的支撑面保证高速下的稳定性,尽管赛车的重心已经够低了。
2 支撑力。为了获得较大的摩擦力,轮胎的材质相对软一些,那就需要较大的面积减少压强保证不超过车胎的
使用极限。

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