这里面有几个误区,帮你澄清一下;同时解答一下你的疑问。
1. F=uN?
实际上,这个公式只是表征摩擦力的其中一种形式。F=uN,这个公式的应用前提是“库伦摩擦定律”,这个定律是关于摩擦的最简单的描述形式。
中学时期不可能讲授太复杂的知识(就好比小学一年级的学生只能理解几加几等于几,不可能理解什么叫正弦余弦什么叫函数)。上大学后,如果你读的是机械专业,你可以通过查阅和学习专业文献,对摩擦产生新的理解。如果你大学毕业后继续读研究生,并且选择了摩擦学这个研究方向,那你就会学到更多的摩擦公式。
那么,这个最简单的公式,F=uN,有什么问题么?
是的,有问题。实际上摩擦力可能与压强有关,可能与运动速度有关,可能与温度有关。只不过,通常我们不去关心这些复杂的影响因素。
既然有问题,那么这个公式错了么?
也不能这么说。对实际生活中的复杂问题进行简化,不仅是科学,更是艺术,这也是数理化的精髓之一。F=uN抛开了复杂的因素,抓住了最根本的因素,将问题变得简单。而那些复杂的问题,留给研究生、博士、教授和科学家们去研究吧。
2.缺气的轮胎行驶阻力很大,是因为摩擦力增加了?
这个认识其实是错误的。从专业的角度看,摩擦力只是导致轮胎行驶阻力的一个非常次要的因素。
简单地说,轮胎的行驶阻力主要是因为轮胎橡胶的变形导致的,而不是接地面上的摩擦力。
复杂地说,轮胎因承受车辆的重量而变形,并使轮胎局部的材料(特别是橡胶材料)产生弯曲、压缩和剪切变形;轮胎每滚动一圈,这种变形就交替一次。由于橡胶具有粘性,这些变形必定要消耗能量(参考粘弹性力学的相关知识),同时其中一部分能量将转换为热能,使胎温升高。这种能量损失过程才是轮胎滚动阻力的原理。
这就能够解释为什么车胎瘪了的时候,骑自行车的时候特别累——因为这时候气压小,充气轮胎刚性小,承受相同的负荷的时候,变形量会更大(你仔细观察一下,就能看出轮胎在接地区域的变形的差异),变形需要消耗的能量就越大,滚动阻力就越大。
3.轮胎与地面之间的压强有多大?
这个问题看上去简单,实际上非常复杂。
简单地说,轮胎与地面之间的压强主要取决于轮胎的充气压力。充气压力越大,接地面积则越小,轮胎与地面之间的压强越大。
复杂地说,轮胎与地面之间压强不仅取决于充气压力,还取决轮胎本身的大小、形状和内部结构;并且,这个压强的分布是不均匀的(在接地面内,各个点的压强都不相同),分布的特征同样取决于很多因素。
4.轮胎变宽了,接地面积会增加?或者,轮胎变宽了,压强会减小?
(车子重量不变的前提下,压强与接触面积成反比,所以这两个问题是完全等价的)
答案是,不一定。
如果气压不变,根据上面的解释,压强主要取决于轮胎的充气压力。这样导致的结果是,宽轮胎接地确实变宽了,但纵向上却会变短。因此即使轮胎宽度增加了一倍,整个接地区的面积(包络面积)也不会有太大变化,通常不会超过20%,甚至有时候还会减小。
然而,前面也说到了,“轮胎与地面之间的压强不仅取决于充气压力,还取决轮胎本身的大小、形状和内部结构;并且,这个压强的分布是不均匀的”。作为一名轮胎研发人员,我们在开发新轮胎的时候会通过努力,尽可能地增大接地面积(哪怕只有5%或者10%),同时使压强的分布尽可能均匀。
增大接地面积的目的是什么呢?
让轮胎更耐磨;提高行驶稳定性;提高抓地力。每一条解释起来都很复杂,限于篇幅,不再详细解释了。
5.汽车轮胎为什么要加宽呢?
不同的车子,专注的性能不同。宽的轮胎并非什么都好,加宽的目的通常是为了追求操控性能。通常宽轮胎的驱动力更大(提速更快),制动力更大(刹车更快),操控的精准性和稳定性也更好(例如在高速转弯等情况下不会翻车,并且能够精准转弯);但舒适性能较差。这就是为什么跑车和赛车通常都是又扁又宽的轮胎,但很多豪华轿车却没有这样做。
6.同款的车型质量都是一样,为什么轮胎尺寸不一样?
同品牌同系列同版本的车子,在出厂的时候轮胎规格通常是一样的。但由于车厂通常会选择两家或三家轮胎供货商,不同厂家生产的轮胎,尽管规格是一样的,但具体尺寸会略有不同(不会相差太多)。原因也是不同厂家的设计理念有所不同。
有的车子前轮和后轮的规格不同,也同样是出于不同性能的考虑——比如,前轮要复杂转弯,后轮要负责驱动;前轮负载大,后轮负载小,等等。
另外,当车子本身改版或者升级的时候,轮胎规格可能也会改变。
最后就是开车的人自己对轮胎进行了改装或者升级。
7. 其他说明
如果你已经坚持看到了这里,说明你的求知欲望很强。
我是一名专业的轮胎研发人员,所以需要对这个问题理解的非常透彻,但你没有必要了解这么多。如果还有兴趣把这些问题弄的更加明白,可以考虑去买些专业书籍来学习,比如《摩擦学》、《汽车轮胎学》,等等。
可不可以这样理解, 在汽车质量不变的情况下,轮胎接触面积和压强不同实际上这个综合阻力系数是不同的,也不是简单的线性关系(便于宏观理解)。举个例子:两个质量相同的金属球体(与地面接触面很小,窄轮胎)和圆柱体(可以想的很长,宽轮胎)在同样的初速度下(动能相同),在一个烂泥地上滚动,明显球体滚的更远些,这是我们的常识,也就是说相同的滚动距离下,球体能量损耗更小点,行驶相同的距离他就额外少耗油, 也就是说更省油。
这个例子反过来看就更接近实际,如汽车在水泥地上行驶,水泥不易变形可比作金属球,橡胶轮胎易变形看作烂泥地,力关系是相似的。
初级水平,希望对你有帮助!
车胎加宽,应该只是为了减少压强,防止轮胎被压爆。与减少摩擦力无关。
骑自行车的时候,车胎瘪了会比车胎打饱气时要重是因为车胎打足气后,轮子是比较完整的圆,其摩擦力是滚动摩擦。没打足气,车胎瘪了,就不是完整的圆,就难以滚动而变成了滑动了,这样就是动摩擦力。学物理中知道,滚动摩擦比滑动摩擦要小。
我看了你的补充,我也说了,摩擦力和接触面积无关。你举的两个例子都不是摩擦力和面积相关的例子。我都指出了这两例子中一个增大面积是为了降低压强,降低压强的目的不是为了减少摩擦力,只是为了不爆胎,不压坏路面。另一个是为了成为完整的圆,使轮子容易滚动。
你不要我们谈汽车轮胎,那还有什么是你认为加大面积来所谓减小摩擦力的?本来就没这回事嘛。这只能你提出一项,我们来反驳一项了。
汽车轮胎加宽只是为了抓地更稳定,与摩擦力无关。
摩擦力 F=μN ,适用于刚体状态,两个物体之间的摩擦力,等于正压力和摩擦系数乘积。
而实际当中,任何物体受力,都会变形(胡克定律),而因为受力变形产生接触面的阻力,是很复杂的,并且往往将这个(附加)阻力,“归纳”到摩擦力上了。
汽车轮胎与地面接触,车胎气压充足时,车胎宽、接触面积大,压强就小,车胎与接触的地面变形就小,附加阻力就小。
车胎瘪了,按说是接触面积更大、压强更小,附加阻力更小,骑车更省力才对。其实不然,得出与事实不符的结论的原因,是认识不够全面。车胎瘪了,车在运动时,车胎在连续、不断的反复变形(与地面接触的地方),而这个变形是消耗能量的,同样产生“另一种形式的附加阻力”的。