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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，因為摩擦力和接觸面積無關(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，每個賽季，甚至每場比賽，輪胎制造商都會根據(jù)從測試數(shù)據(jù)和賽道特點研發(fā)出新一代產(chǎn)品。　　輪胎設(shè)計＝化合物成分＋結(jié)構(gòu) 　　對輪胎做基本評估時，工作重點集中在結(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，是因為橡膠中添加了油(軟化)、炭素(補強)、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輪胎的另一個主要變量是結(jié)構(gòu)設(shè)計，當FIA試圖讓F1賽車的速度慢下來時，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)計對輪胎某些性質(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，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間內(nèi)達到適宜的溫度，但是輪胎磨損也非?？臁＝衲暝诒荣愔胁辉试S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，輪胎表面會出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，嚴重影響輪胎的性能。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)部溫度也達到相當高的水平。　　另外一個影響輪胎表現(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)計重點是能夠充分適應(yīng)濕滑路面的高性能復(fù)合排水紋路。　　每個比賽周末，車隊會準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。輪胎在比賽中肩負著兩個艱巨的任務(wù)：首先是有效傳遞輸出的動力，其次是允許車手以盡可能高的速度轉(zhuǎn)彎。為完成這兩個任務(wù)，輪胎需要足夠的“抓地力”。輪胎接觸地面的時候，垂直方向的作用力（由賽車和車手的自重以及空氣動力學(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。輪胎與抓地力對于F1賽車來說，為了有效輸出巨大的動力，對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），這個溫度下輪胎表面的橡膠會微微熔解，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賽車在冰面開動一下？我們都學(xué)過中學(xué)物理，知道相對運動的物體之間存在兩種摩擦力——滑動摩擦和滾動摩擦。當賽車勻速行駛時，輪胎和地面之間的摩擦力是滾動摩擦。而當賽車加速/減速或者轉(zhuǎn)彎的時候，就產(chǎn)生了滑動摩擦。稍微分析就知道這兩個力之間的作用是相互制約的：如果賽車加速/減速過快，滑動摩擦力的作用將把滾動摩擦力完全抵消，賽車將“失去抓地力”，部分的輪胎表面將相對賽道表面靜止，產(chǎn)生巨大的磨損，造成整個輪胎表面不再是規(guī)則的圓形，給賽車的行駛帶來震動，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——賽車會向正在轉(zhuǎn)向的方向打滑。對于好的車手來說，這并不是不可控制的，只要車手在足夠短的時間內(nèi)反向扭方向盤，賽車便會恢復(fù)抓地力。試想將一個長方形的橡皮緊緊按在桌面，然后從上方往一個方向扭動，看看會發(fā)生什么——橡皮會產(chǎn)生變形，而輪胎也是一樣。輪胎內(nèi)部的應(yīng)力會通過輪胎表面?zhèn)鬟f到賽道上，而如果應(yīng)力來不及釋放便會失去抓地力。這時候就需要反向給輪胎一個作用力，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，這就需要工程師計算合理的平衡點。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。當賽道表面是干燥的時候，完全平面的輪胎（俗稱“光頭胎”）能創(chuàng)造最好的抓地力。當賽道表面有水的時候，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賽車在行進中每秒排出數(shù)十升的水。但是當雨太大，賽道表面積水太深以至于濕地輪胎都無法排盡積水時，賽車也會失去抓地力，像漂在水面上的小船一樣失去控制。坑紋輪胎對干燥賽道表面毫無作用，減少抓地力（接觸面更小）的同時會產(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賽會從1998年起強制性規(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車速產(chǎn)生的負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，軟性輪胎更容易進入工作溫度，能讓賽車在短時間內(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)相對較差，但工作壽命較長，減少賽車進站換胎的次數(shù)，省下寶貴的時間。這也是車手面對不同賽道和不同天氣情況必須衡量并做出選擇的因素。常常聽見這樣評論：“某某車手錯誤地選擇了車胎（過早消耗了車胎），從而輸?shù)袅吮荣悺！痹谶@方面，經(jīng)驗豐富的車手擁有較多的優(yōu)勢，我們往往不會看見舒馬赫這樣優(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，從而眼睜睜看著對手超越自己，失掉比賽的情況——這一般是經(jīng)驗不足的車手犯的錯誤。輪胎的表面溫度是非常敏感的一個參數(shù)，它在決定輪胎抓地力大小的同時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，胎壓會相應(yīng)增高，輪胎的磨損就會加劇；如果溫度過低，提供的抓地力不足以承受賽車的動力，也會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)驗來估計輪胎的工作狀態(tài)，而有時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入一個彎道，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: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.事實上,不論你的賽車狀況多好,空氣動力學(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,保護車手安全. 回: 回答者：網(wǎng)友

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