初中物理課我們都學過,摩擦力與接觸面積無關,摩擦力的公式是f=μN,μ是摩擦系數,也就是物體表面的粗糙程度,越粗糙這個系數越大。N指的就是壓力大小,壓根沒面積啥事。汽車行駛需要輪胎有足夠強的抓地力,才能不打滑。而抓地力就是地面給輪胎的反作用力,可以簡單理解為輪胎與地面的摩擦力,摩擦力越大,抓地力越強。那么既然摩擦力與接觸面積無關,為什么動力強的車,輪胎都做的很寬?難道不是為了增加摩擦力嗎?
實際上沒錯,輪胎寬主要的作用就是為了增加摩擦力,提升抓地力的。我們實際中就能看到,一條很窄的輪胎就是容易打滑。比如面包車的輪胎,我看到過很多次,快速起步或者急加速的時候,輪胎會打滑空轉,甚至磨得都冒煙了。而那些性能較好的車,用的輪胎很寬,就沒見到有打滑的。
課本上的摩擦力公式使用范圍是滑動摩擦力,而汽車輪胎大多數時間屬于滾動摩擦力,根本不適用。滑動摩擦力是兩個物體表面發生相對滑動時產生的阻力,比如把木頭箱子在地上拖,就屬于這種情況。這時只和兩個接觸面的材質和壓力有關。但滾動摩擦力就不適用這個公式,和滑動摩擦力的原理完全不同。
主要是汽車輪胎是橡膠制成的,是軟性的材料,它能變形。從微觀角度看,輪胎的橡膠分子和地面分子之間會互相滲透。意思是輪胎表面不那么平整,會有凹凸不平,地面也是凹凸不平。就會出現輪胎凸起的地方正好嵌入地面凹陷的地方,地面凸起的地方又嵌入輪胎凹陷的地方,像是兩個鋸齒咬合在一起。這樣就不是單純的表面摩擦力了,已經形成了立體撕扯。輪胎與地面的接觸面積越大,這種互相嵌入的分子就越多,肯定摩擦力就要越大。
還有一個原因是輪胎會產生一個較大的變形,也會產生一個變形阻力。這個阻力計算就很復雜了,輪胎的變形量有影響,地面的硬度有影響,輪胎結構也有影響。舉個直觀的例子就容易理解,假設推一個沒氣的自行車,比推滿氣的費勁多了,就是因為沒氣的輪胎形變太大,滾動阻力增大了。并且在水泥地上推和在沙地里推,阻力又不一樣。
所以說,增大輪胎寬度,增加接觸面積,就是可以增大摩擦力。當然,除了增加摩擦力以外,還會增加穩定性,增加轉彎時的側向支撐性。
寬胎越寬,接地面積越大,就能更均勻地分散車身重量。比如在高速上遇到橫風,或者路面有輕微起伏、小石子時,窄胎可能會有輕微的晃動,但寬胎因為接觸地面的范圍更廣,能更快抵消這些干擾,車身會更穩。就比如穿高跟鞋在冰面上走,再刮著大風,就不容易站穩了。如果穿著運動鞋,增加了腳與冰的接地面積,就會穩很多,不容易滑倒。
還有轉彎時車子不容易側滑,轉彎速度太快了,車子會產生一個很大的離心力,就是整輛車都被往外甩。如果想要穩定,就需要輪胎提供足夠的側向抓地力,來抵消這個力,防止側滑。寬胎的接地面積大,能提供的側向抓地力就越高,就不容易出現輪胎抓不住地,被甩出去的情況。
最后,寬輪胎不只是滿足性能上的要求,對于視覺效果也起到了很大的作用。寬胎配大輪轂,往那一停,看起來更穩重、更有氣勢,氣場直接拉滿,一看就是一輛好車。要是一臺車身寬大的奔馳S級,配個窄窄的輪胎,從側面看跟細腳伶仃,多掉價。