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改装流言:宽胎抓地力更好?

阅读量:930512018-01-12

【一个让人纠结的测试】

F=μN,虽然广为人知,但它是摩擦理论的最简版本(中学生会做题即可)。真实的摩擦,可比这个复杂多了。今天诺诺要花几分钟来讲讲物理,但会避开繁杂的理论推导,让深奥的知识尽量白话。

我们先看一个足以让你陷入纠结的问题:

一个木块,按A、B两种体位摆在地上,拉动它们所需克服的摩擦力F一样么?

图:拉木块的问题

把这个问题讲清楚了,摩擦力跟接触面积的关系,也就清楚了。

【宏观接触面积vs微观接触面积】

物体的微观表面都是凹凸不平的,物体间真正“触碰到”的部位其实是很有限的。

一张名片放在光滑的桌面上,我们平常说的接触面积就是名片的面积,这叫宏观接触面积。但名片和桌面真正“碰上”的部分大约只占百分之几,这叫微观接触面积,正是它在操纵着摩擦力的大小。

图:放在光滑桌面上的名片

我就不往分子层面聊了,大家简单地记住:

微观接触面积越大,摩擦力就越大。

微观接触面积这个概念可能比较陌生抽象。诺诺可以再例举一些实例,供求知欲高的诺粉加深认识。

拇指按在iPhone的home键上,貌似手指接触了整个按钮,但微观接触部位,其实只是按钮对应的指纹,估计占按钮面积的一半左右。

图:Home键的微观接触面积分析

大胆的说,如果某人天生没有指纹,手指的微观接触面积会大增,摩擦力会比常人大,捏东西就更不容易滑。

这恐怕是一个颠覆的观点吧!因为,从小到大,所有的教科书上都说“指纹有防滑的作用”,其实在正常情况下,有指纹更容易滑。

如果你们用过标准厚度规,那是磨得像镜子一样光洁的不锈钢块,只要两块厚度规摞在一起了,就得费点力气才能拉开,这就是接触表面过于平整光洁,微观接触面积很大,而导致摩擦力异常变大的真实案例。

图:标准厚度块

明白了摩擦力实际上跟微观接触面积有联系后,还没完,我们接着看看,增加正压力N后,发生了什么。

所有物体在微观上看,都有一定的弹性。正压力N增加,接触表面变形也增加,所以微观接触面积S也会增加,最终导致摩擦力F增加。

图:接触压强增加,微观接触面密度也增大

因此,“压得越紧,摩擦力越大”,这个现象的幕后本质还是总的微观接触面积变大了。

【解读“拉木块测试”】

上面聊的是增加正压力导致摩擦力增加的情况,为了说清楚宽胎流言,我们得回到正压力不变,仅改变宏观接触面积的情况,也就是前面提到的木块试验。

图:再挂一次拉木块的插图

假设体位A和体位B的宏观接地面积是3:1,那么接触压强就是1:3,那么在单位接地面积内,体位B有更多的微观接触点。

假设木块具备“线性弹性”,即3倍的接触压强,能换来3倍的微观接触点密度。但是,体位B的宏观接地面积只有A的1/3,那么最终A和B的微观接触面积还是一样的(3×1/3=1),摩擦力也应该是一样的。

如果木块的弹性是非线性的呢?那就是说,3倍的接触压强,换不来3倍的微观接触点密度,那体位B就吃亏了(小于3的数×1/3,结果是小于1的),因此体位B的摩擦力必然小于A。这种情况下,拉动A就更费劲。

【轮胎的非线性】

我们生活中很多物体的微观表面都呈现非线性弹性特征,木头、纸张、皮肤、都不例外,因此真实世界中,同样的压力下,往往接触面积越大,摩擦力越大。诺诺暂且称之为“接触面积效应”。

橡胶是一种非常奇葩的材料,它具备严重的“非线性”特征,所以这个效应非常明显,相同条件下,更大的接触面积,就是可以带来更好的摩擦力。

因此,民间盛传的“宽胎抓地力好”,是有理论依据的,这也是坊间汽车传言中为数不多的正解。虽然理论是这样的,但进入实战层面时,依然会出现很多幺蛾子。

“爱车的诺诺”订阅号(icheNuonuo)近期会发布“宽胎流言”的下集:诺诺总结了一些加宽轮胎的误区,并例举大量“换了宽胎然并卵”的真实案例,希望大家不要重蹈覆辙。

【写在后面】

至于橡胶的艺术巅峰之作——轮胎,到底是如何建立抓地力的,如何在湿滑和干燥路面上建立足够摩擦的奥秘,将是另一个复杂而有趣的话题,将帮助你成为轮胎的选择和使用的达人。

轮胎的魅力就在于它的非线性特征,这是与生俱来不可改变的,让人又爱又恨。为减少非线性特征对汽车的影响,汽车工程师除了改善橡胶性能,轮胎设计之外,还在悬架和操控的调校中发挥极致,这也是个相当有意思的话题,诺诺择日再聊。

具备了扎实严密的知识,就能建立对汽车的正确认识,也就能读懂汽车语言了。汽车好比是另一类物种,你跟它语言不通,怎么好去了解、评论呢?所以,诺诺课堂其实是在教大家“汽车语言”。这也是诺诺喜欢分享汽车知识,推广诺式汽车文化的原因。

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