轮子的逆袭——滚动阻力反击战

果壳   发表于  2012-08-15 15:53

我们都知道滚动摩擦力大大小于滑动摩擦力,人类为了避免滑动摩擦发明了轮子。但是随着现代技术的进步,人们发现车轮的滚动阻力时时刻刻都在阻碍轮子的转动,浪费能源。有什么办法能够减少滚动阻力,反击“轮子的逆袭”呢?

用轮子告别滑动摩擦,从滚木说起

看上去不起眼的轮子却是人类历史上一个非常伟大的发明。和很多有“参考”的人造工具不同,轮子这种工具原来并不存在于大自然的动物或植物身上。人类最早使用轮子可能和建造宏伟建筑,运送巨大石块有关。公元前27世纪,古埃及人开始修建金字塔。为了将长方体的石料运送到施工现场,奴隶们在路面或斜坡上铺设了圆木,石料在滚动圆木上向前运行,比直接在地面上向前拖动要省力,也就是说,我们的祖先在5000多年前就了解到滚动摩擦力比滑动摩擦力要小得多,这也是我们为何要发明轮子的初衷了。

中国古代传说中发明轮子的奚仲(cbc)

中国古代传说中发明轮子的奚仲(cbc)

轮子的逆袭——吃软怕硬的滚动摩擦

自从有了轮子,人类的技术史就像是进入了快车道。从最早的整体圆木车轮,到后来有轮辐的车轮,再到有金属材料包裹的近代车轮,轮子与地面接触的部分一直是硬邦邦的。颠簸的路况让人们根本没法考虑“舒适”问题,而拉车的牛马们也不会告诉人们那种车轮更加省力。直到19世纪末,汽车、自行车的发展和充气轮胎的广泛应用,才让人们真正享受到了轮子的乐趣。不过,烦恼却又随之而来:柔软的充气轮胎虽然能够减少颠簸,但气压不足时会让骑车人更加费力,或是让汽车更加费油,这是为什么呢? 原来,滚动摩擦“吃软怕硬”。虽然轮子与地面的滚动摩擦远远小于滑动摩擦,但是,滚动摩擦的大小与接触面有关。滚动物体在接触面上滚动或有滚动的趋势时,物体和接触面都会发生形变(图1),从而产生的对滚动的阻碍作用,这实际上是一种阻碍滚动的力矩。当接触表面产生形变,物体受重力作用而陷入支承面(图2),同时物体本身也受到压缩而变形,当物体向前滚动时,接触处前方的支承面隆起,而使支承面作用于物体的合弹力的作用点从最低点向前移。正是这个弹力,相对于物体的质心产生一个阻碍物体滚动的力矩(图3),这就是轮胎越“软”,车子越费力的原因。

图1(cbc)

图1(cbc)

图2(cbc)

图2(cbc)

图3(cbc)

图3(cbc)

用新材料反击滚动阻力

其实,人们很早就了解了滚动摩擦“吃软怕硬”的脾气,也想了很多硬办法来减少滚动摩擦,比如各种轨道上运行的火车、地铁、高铁,都是用坚硬的钢制轮子在钢轨上行驶。不过对于汽车来说,考虑到乘坐的舒适性、在中后对路面的压力等问题,硬质车轮显然是不行的,只能从减少轮胎与地面接触时的形变入手。轮胎厂商米其林在1992年成功推出绿色轮胎,将硅原料作为碳黑的部分替代物融入到轮胎胎面中,硅有助于在不降低轮胎抓地力(尤其是在湿滑路面上)和耐磨性的前提下,降低滚动阻力。这项技术能够降低了车辆行驶所需的能耗,这就是“米其林绿色轮胎”名称的由来,另外,轮胎硬度提高后,还可以减少反复变性而造成的发热问题,让轮胎寿命更长,正是一举两得。

米其林绿色轮胎(cbc)

米其林绿色轮胎(cbc)

除了选择一条硬度合适的轮胎,随时注意轮胎的气压也是很有必要的。合适的气压可以减小行驶时滚动阻力,降低油耗。现在很多汽车的轮胎内可以安装胎压监测传感器,让驾驶者可以随时通过行车电脑了解轮胎的气压等情况,也是个不错的选择。

给轮胎安装抬眼监测传感器(cbc)

给轮胎安装抬眼监测传感器(cbc)

不管你是喜爱骑行的自行车爱好者,还是纵横驰骋的驾驶者,你也许并没有在意你的轮子时时在和你作对。现在,选一条合适的轮胎,给它充上合适的气压,让轮子更“圆滑”,让你的出行更节能吧。

32条评论
  • 1楼
    2012-08-20 17:58 小蚯

    没想到汽车轮胎里面是这个样子的,一种可可拿破仑的感觉……………………

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  • 2楼
    2012-08-20 18:08 果大

    「在中后对路面的压力等问题」应为「载重」;
    「给轮胎安装抬眼监测传感器」应为「胎压」。

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  • 3楼
    2012-08-20 18:57 szlghl1

    我觉得没气轮胎费力应该不是这个原因
    为什么地面会下限?是压强超过承受范围
    那在F不变的情况下,轮胎气越足,接触面越小,P应该越大
    也就是气多容易产生前文所说的阻力
    而且很明显轮胎不足气费力这种东西,首先它在形变可以忽略不计的水泥地上也有
    而且它不止“费力”还“费功”
    那我觉得有两种可能,或者两种都有
    一是气不足,轮胎形变发热,如同扭铁丝会发热一样
    二是气不足的时候轮胎和地面会产生更多的相对位移

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  • 4楼
    2012-08-30 18:09 Three-do

    有个小问题,这算是米其林的广告么

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  • 5楼
    2012-08-30 18:15 feeling4t

    擦,05年美国站之后米麒麟还敢吹嘘自己的技术啊

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  • 6楼
    2012-08-30 19:28 Energy

    滚动摩擦不是力矩么?怎么计算滚动摩擦力的大小?我在我妈1979年版的物理疑难解答书(价格1.1元)看到的- -

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  • 7楼
    2012-09-04 12:27 强化钛合金小强

    这样的广告比较有意思

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  • 8楼
    2012-09-07 16:28 HKTang
    引用Three-do的回应:有个小问题,这算是米其林的广告么

    看着文挺软的,可费这么大力气写科普,从受众看,还是没必要的吧,就算是,也是顺便广告,不是为了广告才科普的吧

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  • 9楼
    2012-09-09 02:17 zorkist

    非常失望
    应该认认真真做科普光明正大卖广告
    不应该他妈的搅在一起

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  • 10楼
    2012-09-10 13:55 泛用人形决战兵器 项目经理ψ

    物理不是很擅长结果看到受力分析的时候居然看进去了。。。

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  • 11楼
    2012-09-10 14:10 抠脚天神

    看见标题的时候吓一跳,还以为你们犀利了。。。。

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  • 12楼
    2012-09-10 14:22 香蕉共和国
    引用脑残片专卖的回应:看见标题的时候吓一跳,还以为你们犀利了。。。。

    握手,原来我不是一个人!

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  • 13楼
    2012-09-10 14:36 太嘎米 商务金融硕士,资深DIY达人ψ

    对于轮胎在一年内换了2次的人家来说,轮胎真大太太重要了

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  • 14楼
    2012-09-10 14:36 DAIDAIDAI 化学硕士ψ

    滑动摩擦滚动摩擦..不停地在回忆高中物理课...

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  • 15楼
    2012-09-10 14:37 我家住在动物园 宠物爱好者ψ

    好想试一下木轮子的赶脚挖~ 还有木轮子的车么现在?

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  • 16楼
    2012-09-10 14:48 橡皮树

    阻力是把双刃剑啊...

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  • 17楼
    2012-09-10 16:12 玉子桑 食品科学硕士,果壳网编辑ψ
    引用我家住在动物园的回应:好想试一下木轮子的赶脚挖~ 还有木轮子的车么现在?

    会屁股开花的。。。

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  • 18楼
    2012-09-11 11:09 毛骡 金属材料学博士ψ
    引用szlghl1的回应:我觉得没气轮胎费力应该不是这个原因
    为什么地面会下限?是压强超过承受范围
    那在F不变的情况下,轮胎气越足,接触面越小,P应该越大
    也就是气多容易产生前文所说的阻力
    而且很明显轮胎不足气费力这种东西,首先它在形变可以忽略不计的水泥地上也有
    而且它不止“费力”还“费功”
    那我觉得有两种可能,或者两种都有
    一是气不足,轮胎形变发热,如同扭铁丝会发热一样
    二是气不足的时候轮胎和地面会产生更多的相对位移


    没气的话,轮子会扁啊。扁的话,不是简单的一个圆去掉一段弧就可以了。轮胎截面的周长的变化不大,产生图中的效果。你该再仔细看看人家的说明。没有讨论地面软硬,如果是软路面,情况会复杂很多

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  • 19楼
    2012-09-11 15:15 豆豆龙
    引用你要的爱的回应:标题怎么啦


    之前也遇到过这种情况。。。

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  • 20楼
    2012-09-11 15:22 嫉妒爱情
    引用你要的爱的回应:诶?我的回复被吞了么

    沙工程师祭天吧!

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  • 21楼
    2012-09-13 23:59 溺水鱼

    滚动阻力其实是车轮在滚动时和路面接触区域间产生的法向和切向作用力的统称,在轮中心加一个水平推力的话,车轮匀速滚动时就可以认为此时滚动阻力的大小等于水平推力的大小,滚动阻力与车轮载荷(载荷可以理解为汽车加载在某一轮胎上的重量)的比值是滚动阻力系数,这个系数由轮胎性能车速及路面状况决定。所以知道滚动阻力系数和载荷就可以计算滚动阻力了。

    引用Energy的回应:滚动摩擦不是力矩么?怎么计算滚动摩擦力的大小?我在我妈1979年版的物理疑难解答书(价格1.1元)看到的- -
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  • 22楼
    2012-09-16 09:55 fish

    做轮胎的飘过。。。。。

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  • 23楼
    2012-09-21 15:48 sindyye

    这标题。。。

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  • 24楼
    2012-09-21 15:55 彼岸之火 广播电视艺术学硕士ψ

    哈,从古到今的轮胎科学~值得一看~

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  • 25楼
    2012-09-21 17:26 金闪闪

    物理生迷茫了。
    车轮的阻力明明是汽车前进的动!力!啊!
    没有阻力,前进个蛋啊啊啊

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  • 26楼
    2012-09-21 17:34 1144

    这场比赛我完整的看完了这么无聊的事我说到处乱说=。=

    引用feeling4t的回应:擦,05年美国站之后米麒麟还敢吹嘘自己的技术啊
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  • 27楼
    2012-09-21 22:04 妈妈说名字长不好

    无数遍欣赏topgear里面漂亮的车子的飘过。。。。

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  • 28楼
    2012-09-22 00:20 雷公邓恩

    软文是对果壳浏览者智商上的侮辱,不是不能打广告,但是让大家觉得自己智商被侮辱就不太好了,广告没错,方式有问题。

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  • 29楼
    2012-09-23 10:38 白左 压力容器初级工程师ψ

    啊好专业的广告……

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  • 30楼
    2012-09-23 23:04 默默无闻

    广告+1

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  • 31楼
    2012-10-10 20:06 zcqshine

    开车或者骑车的时候不仅仅有向前的阻力,也有向后的阻力啊

    引用金闪闪的回应:物理生迷茫了。
    车轮的阻力明明是汽车前进的动!力!啊!
    没有阻力,前进个蛋啊啊啊
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  • 32楼
    2013-05-31 10:58 海豚六号-Wayllen
    引用@棋规与判定 的话:我还以为标题是“轮子的逆转”,才进来看的.我只想知道,有时候看到行驶的汽车轮子逆转(反转)是什么原因?

    你的视觉神经欺骗了你。

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