“減小接觸面積” 還是“增大粗糙程度”?
——對胎面花紋的深度分析

任少鐸

(廈門市海滄區東孚中學,福建 廈門 361000)

要給學生一杯水,教師至少要有一桶水.因此,對于學生的疑問,教師應當以嚴謹的態度和學生一起深入分析與研究,而不是人云亦云的糊弄過去.實事求是的去求證和研究的過程,不僅可以提高教師的核心素養,也能通過言傳身教提高學生的物理學科核心素養.

1 問題的提出

中學階段,認為影響滑動摩擦力大小的因素只有兩個:接觸面的粗糙程度和壓力的大小.而對于胎面花紋的作用,目前,主流觀點認為,花紋增大了接觸面粗糙程度,且不少地市中考試題也持此觀點.

例1.(2016年福州中考簡答題)自行車輪胎表面有凹凸不平的花紋,請解釋這樣設計的目的.

參考答案:胎面花紋,是在壓力一定時,通過增大接觸面的粗糙程度來增大輪胎與地面的摩擦力,防止輪胎打滑.

然而,亦有學生認為,胎面花紋實際上只是減小了輪胎與地面的接觸面積,而減小接觸面積,并不會影響摩擦力的大小.我們亦無法找到相關理論否定這種觀點.

那么事實究竟如何?對此,筆者與學生一起進行了深入的研究與分析.

2 “粗糙程度”屬于微觀幾何形狀誤差,胎面花紋屬于宏觀幾何形狀

“粗糙程度”,工業領域并無該詞匯.工業領域只有“表面粗糙度”這一表述.顯然,教材中的“粗糙程度”對應的就是工業領域的“表面粗糙度”.

表面粗糙度,其定義為:加工后的零件表面上具有的較小間距和微小峰谷所組成的微觀幾何形狀特征,其兩波峰或兩波谷之間的距離(波距)很小.

表面粗糙度屬于微觀幾何形狀誤差(1 mm以下),表面粗糙度越小,則表面越光滑.[1]

可見,“粗糙程度”屬于微觀微觀幾何形狀誤差.因此,要提高物體表面的“粗糙程度”,必須在微觀(1 mm以下)層面下下功夫.

而輪胎花紋,其尺寸之大,已經不屬于微觀微觀幾何形狀誤差.因此不能認為輪胎花紋提高了胎面的粗糙程度.

那么,胎面花紋,究竟有什么作用,究竟有沒有增大輪胎與地面間的摩擦力呢?這就要深入分析輪胎與地面的作用機理.

3 輪胎與地面的摩擦力分析

3.1 教材中講解的摩擦力比較符合金屬等硬性物質

中學教材中介紹的摩擦力規律,源于庫倫摩擦定律.其定律如下.

(1) 摩擦阻力與加在接觸面上的正壓力成正比;

(2) 摩擦阻力與滑動面的表觀面積無關;

(3) 滑動摩擦力與滑動速度無關.

事實上,這個定律比較符合金屬等硬性物質,當金屬和接觸面相接觸時,真正接觸的只不過是極少數的一部分.[2]

3.2 輪胎與地面的摩擦力分析

用于制作輪胎的橡膠是粘性彈體,與完全彈性體的金屬不同,它與地面間的摩擦力與表觀接觸面積、滑動速度、溫度等因素都有關.[3]

如圖1所示,當輪胎在地面滾動時,在接地區域,輪胎的周向速度的大小與地面速度的大小并不相等,使得胎面與路面的接觸部分分為兩個區域:前部的附著區和后部的滑移區.在附著區內,胎面與地面無相對滑動,而在滑移區,胎面相對于地面向后滑移.因此,輪胎橡膠摩擦力和摩擦系數之間的關系,通常不遵守庫倫摩擦定律,輪胎與地面間的摩擦因素與壓力、滑移速度之間存在密切的關系.[4]因此,在物理學中,有所謂“滑動摩擦力”和“滑動摩擦系數”的概念,而對于橡膠材質的輪胎,習慣用“附著力”和“附著系數”表示.顯然,“附著力”和“滑動摩擦力”并不完全一樣.

圖1 輪胎接地情況分析

因此,我們不能用教材中的摩擦力規律來分析輪胎與地面之間的“附著力”.輪胎地面間的“附著力”,是隨垂直載荷、表觀接觸面積、滑動速度、溫度、濕度等因素變化的.

那么胎面花紋,又是如何影響輪胎與地面之間的“附著力”的呢?

4 胎面花紋作用分析

4.1 在干燥的路面上,花紋并沒有提高輪胎與地面間的附著力

胎面花紋除了增加輪胎與地面的附著力之外,還有減噪、散熱等功能.

研究表明,在干燥的路面上,汽車花紋并沒有起到增大輪胎與地面的附著力的作用.相反,無花紋的輪胎,與地面的附著系數反而可能更大,如圖2所示.

圖2 3種輪胎在排水能力極強的

從圖2可以看出,在排水能力極強的石英巖路面,無花紋的輪胎甚至比有花紋的輪胎在地面上的附著系數更大.

4.2 在濕滑路面上,花紋才能“大顯身手”

事實上,輪胎花紋,只有在潮濕、砂礫比較多、混泥土的路面上,才能夠大大提高輪胎與地面的附著系數.

這是因為,路面潮濕時,地面會附著一層極薄的水膜,而水膜會對輪胎產生動力潤滑作用,使輪胎上浮.動力潤滑作用的強弱與汽車行駛的速度有關,當汽車行駛的速度超過一定值時,動力潤滑作用就會使輪胎完全脫離地面,稱為“滑水現象”.因此,輪胎在濕滑路面上的受力情況就變得非常復雜.

當車輛速度小于完全滑水的臨界速度時,接地面可粗略劃分為3個區域,如圖3所示.具體分為

圖3 潮濕路面上輪胎的接地面分段

(1) 入口區(對應圖4中A區),該區為完全上浮區,此區內水的流體壓力足以把輪胎抬起,輪胎與路面完全脫離.

(2) 覆蓋區(對應圖4中B區),該區內水大量流失,但仍留有一層水膜,但水膜逐漸變薄,此區為不完全接觸區,輪胎與路面部分接觸.

(3) 牽引區(對應圖4中C區),在該區內胎面與路面完全接觸,胎面單元的法向平衡得到維持,并對汽車產生有用的牽引力.[5]

圖4 潮濕路面輪胎接地實物圖

3個區段的長度并不是不變的,而是隨著車速和路況的變化而變化.車速較低時,牽引區較長,車輛具有良好的操縱性.隨著車速變大,牽引區慢慢減小,當到達臨界速度時,牽引區完全消失,整個輪胎浮于水膜上,發生完全滑水現象,車輛失去可操縱性.[6]

而當路面潮濕時,輪胎上的花紋可以有效地使水通過花紋排出,從而增大輪胎與地面的附著系數,如圖5所示.

圖5 3種輪胎在3種排水能力差的

4.3 胎面花紋種類及其特點

胎面花紋有很多類型,其特點各異,部分種類如表1所示.

表1 胎面花紋的類型及其特點

條形花紋,排水性很好,防側滑,轉向穩定性優異,且滾動阻力小,噪音低.

橫向花紋,驅動力和制動力很強,滾動阻力比較大.

混合花紋,結合了條形花紋和橫向花紋的優點,性能非常好.

越野花紋,又稱為塊狀花紋,排水性良好.制動和操控性能優越,雪地和濕路上的操控性穩定性不錯.[7]

5 結論與建議

5.1 總結與結論

根據以上分析,我們可以得出結論.

(1) 教材中的摩擦力規律,并不適用于輪胎與地面之間的摩擦力.

(2) 輪胎花紋,沒有增大輪胎的粗糙程度,只是減小了接觸面積.

(3) 在干燥的路面上,花紋并不能提高輪胎與地面間的附著力;而在潮濕、泥濘、冰雪覆蓋的路面,花紋可以顯著提高輪胎與地面間的附著力.

5.2 思考與建議

我們可以簡化相關理論,但絕不可傳遞錯誤的知識.[8]廣大一線教師切勿人云亦云的傳授給學生錯誤的知識,而是用考證的態度去深入思考有關理論,這樣才能使師生的核心素養得到共同提升.同時,建議各地中考命題,切勿再以教材中的摩擦力理論來分析輪胎花紋的作用.