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為什么頂尖賽車汽車用寬輪胎比用窄輪胎好？

物理老師給的題目。我知道他們摩擦力是一樣的，因?yàn)槟Σ亮徒佑|面積無關(guān)嘛。那么寬輪胎和窄輪胎有什么區(qū)別呢？為什么頂尖賽車都選用寬輪胎，不選用窄輪胎？: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-09-07

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事實(shí)上，在一輛如藝術(shù)品般完美的F1賽車上，輪胎大概是最容易被觀眾忽視的部件。盡管輪胎性能、空氣動(dòng)力學(xué)和引擎馬力并稱決定F1賽車速度的三大要素，但輪胎經(jīng)常比其它所有因素加在一起的作用更大。改進(jìn)輪胎是提高賽車表現(xiàn)的最快的方法，只有輪胎能讓賽季大局在瞬間改變。而與F1賽車的科技水平相比，輪胎工藝的發(fā)展速度更快，每個(gè)賽季，甚至每場比賽，輪胎制造商都會(huì)根據(jù)從測試數(shù)據(jù)和賽道特點(diǎn)研發(fā)出新一代產(chǎn)品。　　輪胎設(shè)計(jì)＝化合物成分＋結(jié)構(gòu) 　　對(duì)輪胎做基本評(píng)估時(shí)，工作重點(diǎn)集中在結(jié)構(gòu)或者化合物成分上。　　F1賽車輪胎與普通汽車輪胎一樣由橡膠化合物制成，稱之為化合物，是因?yàn)橄鹉z中添加了油(軟化)、炭素(補(bǔ)強(qiáng))、亞鉛、硫磺、防老化劑等物質(zhì)，改變這些混成物的比例，輪胎性能將發(fā)生很大的變化。　　F1輪胎的另一個(gè)主要變量是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)FIA試圖讓F1賽車的速度慢下來時(shí)，他們總是先拿輪胎的結(jié)構(gòu)開刀。1998年，老式的寬大后輪胎被禁止了，并且規(guī)定所有干地輪胎的表面都必須開溝槽——這樣可以減少輪胎與地面的接觸面積，使抓地力減弱。　　如果研究結(jié)構(gòu)，輪胎的化合物成分應(yīng)保持不變，這樣才能做比較，反之亦然。輪胎的工作方式完全取決于輪胎設(shè)計(jì)對(duì)輪胎某些性質(zhì)的影響，主要是在壓力的分配以及輪胎表面的壓力和溫度方面，必須尋找最佳結(jié)合點(diǎn)，與某種結(jié)構(gòu)配合得很好的化合物，與另一種結(jié)構(gòu)可能就不太合適。　　輪胎性能＝抓地力×耐磨性　　F1輪胎要求具備良好的抓地性和耐磨性，這是兩種互相制約的性能。　　抓地力是指利用柔軟的化合物使輪胎咬住地面的能力，輪胎通過與地面的摩擦產(chǎn)生熱量，能夠使橡膠逐漸變軟，柔軟的化合物容易在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到適宜的溫度，但是輪胎磨損也非?？?。今年在比賽中不允許換輪胎，必須采用更硬的化合物確保輪胎的耐磨性，所以抓力地大大降低了，F(xiàn)IA就是用這個(gè)辦法來減慢賽車的速度。　　比賽中，輪胎獲得最佳抓地力的理想溫度為80度至100度，如果輪胎溫度超過了正常使用的溫度，輪胎表面會(huì)出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，嚴(yán)重影響輪胎的性能。輪胎是否氣泡主要取決于輪胎中心的溫度，如果內(nèi)部溫度低于表面溫度很容易導(dǎo)致起泡。比賽過程中，輪胎表面的溫度經(jīng)常迅速上升，比如駕駛失誤導(dǎo)致輪胎鎖死，或者賽車調(diào)較出現(xiàn)問題，造成輪胎過熱等。橡膠是高度絕緣體，輪胎表面的高溫不可能很快傳遞到中心，所以要讓輪胎在高溫下有上佳表現(xiàn)，只能等到輪胎內(nèi)部溫度也達(dá)到相當(dāng)高的水平。　　另外一個(gè)影響輪胎表現(xiàn)的主要因素是胎壓。輪胎的充氣量在F1是一個(gè)關(guān)鍵因素，必須尋找完美的平衡。胎壓是根據(jù)賽道的特點(diǎn)調(diào)整的，一般來說，在摩納哥那樣的低速賽道上，胎壓要比銀石、巴塞羅納那樣有很多高速彎道的賽道上低。　　輪胎類型＝{干胎(硬胎，軟胎)、雨胎} 　　F1輪胎分為干地和雨地兩種類型，表面有四條溝槽的干地輪胎直徑660毫米，雨地輪胎直徑670毫米，前輪胎寬度限制在305毫米到355毫米之間，后輪胎寬度是365毫米到380毫米。雨地輪胎要確保在濕滑的路面上有足夠的抓地力，必須迅速排出進(jìn)入胎紋與地面間的雨水，使輪胎表面更有效地接觸地面，所以雨地輪胎的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是能夠充分適應(yīng)濕滑路面的高性能復(fù)合排水紋路。　　每個(gè)比賽周末，車隊(duì)會(huì)準(zhǔn)備兩種化合物成分不同的干胎——它們的區(qū)別主要在軟硬度上，然后根據(jù)溫度和天氣情況決定使用哪一種，如果天氣很冷，軟胎也許有較好的表現(xiàn)，但是如果天氣非常熱，硬胎是更好的選擇。輪胎在比賽中肩負(fù)著兩個(gè)艱巨的任務(wù)：首先是有效傳遞輸出的動(dòng)力，其次是允許車手以盡可能高的速度轉(zhuǎn)彎。為完成這兩個(gè)任務(wù)，輪胎需要足夠的“抓地力”。輪胎接觸地面的時(shí)候，垂直方向的作用力（由賽車和車手的自重以及空氣動(dòng)力學(xué)部件產(chǎn)生的下壓力產(chǎn)生）使輪胎產(chǎn)生變形，輪胎的一部分接觸不光滑的賽道表面，由此產(chǎn)生了摩擦力——也就是俗稱的抓地力。輪胎與抓地力對(duì)于F1賽車來說，為了有效輸出巨大的動(dòng)力，對(duì)輪胎的抓地力提出了很高的要求。你可以看到在比賽前工作人員會(huì)將輪胎用電熱毯包裹著，這是為了讓輪胎維持在工作溫度（一般在80-100攝氏度左右），這個(gè)溫度下輪胎表面的橡膠會(huì)微微熔解，提供額外的上佳抓地力（輪胎甚至?xí)奄惖郎系纳车[和雜物吸附在表面）。當(dāng)然，賽道的表面材質(zhì)也很重要，這就是為什么F1賽道大多用柏油鋪就的原因——試試讓F1賽車在冰面開動(dòng)一下？我們都學(xué)過中學(xué)物理，知道相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體之間存在兩種摩擦力——滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦。當(dāng)賽車勻速行駛時(shí)，輪胎和地面之間的摩擦力是滾動(dòng)摩擦。而當(dāng)賽車加速/減速或者轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，就產(chǎn)生了滑動(dòng)摩擦。稍微分析就知道這兩個(gè)力之間的作用是相互制約的：如果賽車加速/減速過快，滑動(dòng)摩擦力的作用將把滾動(dòng)摩擦力完全抵消，賽車將“失去抓地力”，部分的輪胎表面將相對(duì)賽道表面靜止，產(chǎn)生巨大的磨損，造成整個(gè)輪胎表面不再是規(guī)則的圓形，給賽車的行駛帶來震動(dòng)，使操控更加困難。為了防止這種情況，牽引力控制系統(tǒng)（控制加速）和防抱死剎車系統(tǒng)（控制減速）應(yīng)運(yùn)而生。而如果轉(zhuǎn)彎過快，失去抓地力的結(jié)果便是賽車失控打滑——賽車會(huì)向正在轉(zhuǎn)向的方向打滑。對(duì)于好的車手來說，這并不是不可控制的，只要車手在足夠短的時(shí)間內(nèi)反向扭方向盤，賽車便會(huì)恢復(fù)抓地力。試想將一個(gè)長方形的橡皮緊緊按在桌面，然后從上方往一個(gè)方向扭動(dòng)，看看會(huì)發(fā)生什么——橡皮會(huì)產(chǎn)生變形，而輪胎也是一樣。輪胎內(nèi)部的應(yīng)力會(huì)通過輪胎表面?zhèn)鬟f到賽道上，而如果應(yīng)力來不及釋放便會(huì)失去抓地力。這時(shí)候就需要反向給輪胎一個(gè)作用力，讓輪胎回復(fù)正常狀態(tài)。決定輪胎性能的因素輪胎的尺寸、輪胎和地面的接觸面大小以及表面花紋、材質(zhì)決定了輪胎的性能。輪胎和地面的接觸面的長寬之比是輪胎的截面比，通常截面比越小的輪胎抓地力越大，這意味著賽車輪胎尺寸要盡可能的大，同時(shí)寬度盡可能寬。然而，尺寸越大的輪胎，阻力也越大，這就需要工程師計(jì)算合理的平衡點(diǎn)。另一方面，低截面比的輪胎比高截面比的輪胎更不容易變形，從而減少了輪胎的內(nèi)部發(fā)熱（部分變形應(yīng)力轉(zhuǎn)化為熱量），使輪胎在極端情況下依然能維持上佳表現(xiàn)。輪胎表面的花紋是根據(jù)賽道表面的情況來決定的。當(dāng)賽道表面是干燥的時(shí)候，完全平面的輪胎（俗稱“光頭胎”）能創(chuàng)造最好的抓地力。當(dāng)賽道表面有水的時(shí)候，輪胎表面就必須有坑紋，讓輪胎和地面之間的水通過這些坑紋排出，這也是為什么民用車的輪胎表面都有坑紋的原因——天總不可能一直不下雨吧！目前，輪胎廠商提供的每一只濕地輪胎都足夠讓高速行駛的F1賽車在行進(jìn)中每秒排出數(shù)十升的水。但是當(dāng)雨太大，賽道表面積水太深以至于濕地輪胎都無法排盡積水時(shí)，賽車也會(huì)失去抓地力，像漂在水面上的小船一樣失去控制。坑紋輪胎對(duì)干燥賽道表面毫無作用，減少抓地力（接觸面更?。┑耐瑫r(shí)會(huì)產(chǎn)生高熱（輪胎和賽道摩擦產(chǎn)生的熱量積聚在坑紋中），降低輪胎壽命。但是，F(xiàn)1賽會(huì)從1998年起強(qiáng)制性規(guī)定，即使是干地輪胎也需要有坑紋，主要目的是減少輪胎的抓地力，強(qiáng)制降低車速。然而，輪胎廠商的工程師是一群瘋子，他們和車隊(duì)工程師一起努力，在不到兩年內(nèi)就通過其他手段將坑紋對(duì)車速產(chǎn)生的負(fù)面作用消除得干干凈凈，以至于目前的賽車速度比1997年前還要快得多。我們都聽過“軟胎”和“硬胎”之說，這里的軟/硬指的是輪胎表面的材質(zhì)。自從一百多年前美國人固特異發(fā)現(xiàn)向橡膠中加入硫磺能極大地改善其耐磨性，從而創(chuàng)造了真正意義上的輪胎以來，工程師們就不斷地往橡膠中加入其他材質(zhì)使輪胎達(dá)到不同要求，賽車輪胎也不例外。相比硬性輪胎，軟性輪胎更容易進(jìn)入工作溫度，能讓賽車在短時(shí)間內(nèi)維持優(yōu)秀的抓地力，但是磨損也更快；相反，硬性輪胎的抓地力表現(xiàn)相對(duì)較差，但工作壽命較長，減少賽車進(jìn)站換胎的次數(shù)，省下寶貴的時(shí)間。這也是車手面對(duì)不同賽道和不同天氣情況必須衡量并做出選擇的因素。常常聽見這樣評(píng)論：“某某車手錯(cuò)誤地選擇了車胎（過早消耗了車胎），從而輸?shù)袅吮荣??！痹谶@方面，經(jīng)驗(yàn)豐富的車手擁有較多的優(yōu)勢，我們往往不會(huì)看見舒馬赫這樣優(yōu)秀的車手在比賽的末段由于輪胎壽命已經(jīng)告罄而圈速不得不變慢，從而眼睜睜看著對(duì)手超越自己，失掉比賽的情況——這一般是經(jīng)驗(yàn)不足的車手犯的錯(cuò)誤。輪胎的表面溫度是非常敏感的一個(gè)參數(shù)，它在決定輪胎抓地力大小的同時(shí)也影響著輪胎的壓力，直接反映了輪胎的工作狀態(tài)。如果溫度過高，高于正常工作溫度，胎壓會(huì)相應(yīng)增高，輪胎的磨損就會(huì)加?。蝗绻麥囟冗^低，提供的抓地力不足以承受賽車的動(dòng)力，也會(huì)造成賽車操控困難以至打滑。在2003賽季以前的比賽中，F(xiàn)1賽車的輪胎溫度可以通過傳感器量得，再通過無線傳輸至維修站由工程師們監(jiān)督，一旦有異常則告知車手。但是隨著2003賽季，無線數(shù)據(jù)傳輸被禁止后，車手就不得不憑借自己的操控感和經(jīng)驗(yàn)來估計(jì)輪胎的工作狀態(tài)，而有時(shí)潛在的異常情況很可能不為車手所察，以至于增加了車手的危險(xiǎn)性：一旦輪胎在高速行駛中突然出現(xiàn)問題，造成的后果可能是非常嚴(yán)重的。賽車的其他部件也存在著同樣的情況：試想你正駕車高速進(jìn)入一個(gè)彎道，突然發(fā)現(xiàn)剎車或者轉(zhuǎn)向失靈，又或者懸掛系統(tǒng)出了毛病——這時(shí)候，一身冷汗之余，你唯一能做的就是閉上雙眼祈禱了。與賽車其他部分相比,綽號(hào):黑色甜甜圈的比賽輪胎容易被忽視.尤其在2002年以前,大家只能用普利斯通.事實(shí)上,不論你的賽車狀況多好,空氣動(dòng)力學(xué)套件性能多么優(yōu)異,與地面接觸產(chǎn)生摩擦力的只有輪胎.輪胎的抓地力也十分影響賽車過彎.這次土耳其站沖出賽道的車手大多都是受輪胎抓地力不足影響.雨胎還能提高賽車雨中速度,防止打滑,保護(hù)車手安全. 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