为什么赛车轮胎都很宽？ - 谢中用的回答

摩擦力的产生机理

1. 在说产生机理之前，我们先来对轮胎与地面之间的摩擦力有个直观的印象

轮胎与地面接触的摩擦力，按照他们的作用不同，称谓不同：抓地力，牵引力，制动力，侧向力等。虽然名称不同，起的作用不同，但这些力都是轮胎与地面摩擦力的一种，他们的产生机理相同，影响因素相同。有趣而令很多人困惑的是，车辆的驱动力、制动力看起来两个起相反作用的力，其实都是来源于轮胎与路面的摩擦。更有趣的是轮胎的滚动阻力主要产生来源却不是由于轮胎与地面的摩擦，而是因为迟滞效应产生的由地面给轮胎的阻力矩（滚动阻力产生的来源有很多，主要是因为胎侧的完全变形产生的迟滞效应，其他一部分是轮胎内部构件的摩擦，所占比例很小，而且属于内部摩擦，所以这里说滚动阻力产生的主要来源不是轮胎与地面的摩擦是恰当的）。这与我们日常的直观经验多少有点出入，所以应该注意。在行业内部，一般很少直接讲摩擦力这个词。讨论动力性的时候说牵引力，讨论制动性的时候说制动力，讨论操纵稳定性的时候说侧向力，考虑燃油经济性的时候说滚动阻力（正如前面所讲，滚动阻力不是真正的摩擦力，是一种阻力矩作用，但是在进行二自由度动力学分析的时候，还是会当成一个类似摩擦力的阻力去考虑，尽管是这样，大家心里还是应该有数的。关于滚动阻力的产生机理这里不铺展展开，大家可以查资料或者与我讨论）。

2. 什么是材料的粘弹性？

粘弹性材料顾名思义指既有粘性流体的特点又有弹性固体的特点。

弹性固体（比如弹簧）当有力作用在上面时会立即变形，变形大小与施加的力成比例，当撤去外力时，它能恢复到原来的形状。应力和变形是同时的。弹簧能够立即恢复到原来位置表明它将施加的能量完全储存起来，当除去外力时它又将能量完全释放掉，整个过程中能量没有损失。

粘性流体的行为就完全不同了。当我们将活塞推到充满油或水的容器中时，活塞的前进遇到阻力，并且推动活塞的速度越大，遇到的阻力也越大，而且，当我们开始推动活塞时，稍过一会儿才会感觉到活塞的运动。应力和变形是不同步的，这就是滞后现象。当我们松开活塞时，它也不能完全恢复到原来的位置，所施加的能量没有恢复，被流体运动消耗掉了，这就是能量损失。

粘弹性材料的力学行为介于完全弹性和完全粘性之间。粘弹性材料变形后不能完全复位，即使复位也是需要一段时间，这就是其滞后现象，在复位过程中伴随能量损失。这种滞后现象正是轮胎抓地力的机理所在（滚动阻力的主要来源也是橡胶的这种滞后现象，但起作用的部位不同，抓地力的滞后发生在胎面，滚动阻力的滞后发生在胎侧弯曲。）

下面这种模型可以很好的描述粘弹性材料的滞后行为，话说这跟车辆悬架的结构很相似啊。

3. 路面和轮胎之间的相对滑移有两个机理：

第一个机理是由于路面纹理引起的材料频率效应。轮胎滚过路面粗糙点时橡胶变形，路面粗糙点的大小在 1 厘米到 1 微米之间，这个机理称为路面粗糙度的影响。也被成为压坑效应，强调路面凸起刺扎胎面胶的作用。

因为橡胶具有弹性，使它可以很好地适应路面凸起，与路面之间紧密接触。因为橡胶又具有粘性，当轮胎滚过路面时胎面橡胶压向路面的作用可以比喻成流动作用，橡胶块击打路面粗糙点并变形，但由于滞后特性，橡胶块在凸起另一侧又不能马上恢复到原来的高度。橡胶块在凸起上的不对称运动产生了抵抗滑移的力。这种效果就像齿轮之间的啮合。

第二个机理称为分子粘附，它发生在 0.01 微米规模上，当滑移时分子粘附会加强。粘着效应来自于橡胶和路面之间的界面内的分子相互作用。分子之间的绑定、拉伸、断裂等等。

以上就是轮胎摩擦力的两个产生来源了。

对比地，我们来看金属摩擦力的产生，为什么我们在高中及以下学习中，总是认为摩擦力与面积无关，库仑定律适用的范围是哪些？

库仑定律：

1. 摩擦阻力与加于接触面上的垂直载荷成比例；

2. 摩擦阻力与滑动面的表观面积无关；

3. 滑动摩擦力与滑动速度有关

这个定律比较符合金属等硬性物质，当金属和接触面相接处时，真正接触的只不过是极少一部分，（大家可以查阅相关资料，两个物体相接触时，直接接触的面积微乎其微）。机械加工面的真实接触面积 A 一般与载荷成比例增加，所以接触面积 

其中  是载荷， 是比例常数。

假设真实接触部分剪切所需要的每单位面积平均切向力为 ，那么摩擦力 

因为金属接近完全弹性体，摩擦系数 

（请参照《摩擦学原理》这本书）

由此可见，金属等硬物质，其摩擦力与表观接触面积无关。（不管看起来面积多大，在一定载荷下，就只有固定数量的实际接触面积接触）。

而橡胶非常软，弹性系数为金属的一万分之一，橡胶的变形可以达到百分之百以上。这样也预示着，增加载荷对他们的接触面积增加的不会太多，所以橡胶的摩擦力跟接触面积有很大关系。

（在这里大家可以发现，无论是金属还是橡胶，其摩擦力是跟实际接触面积和载荷相关的）

4. 一个有利于理解的比喻

这样很难理解，我来打给比方：

A 军队有一千人，一个将领可以指挥十个人战斗，那么再来一个将领，能指挥二十个人战斗，那么 A 军队的战斗力跟 A 军队实际有多少人没关系，而是跟跟将领的数目有关系。

B 军队有一千人，一个将领可以指挥五百个人战斗，两个将领可以指挥 510 个人战斗，再来将领的作用相对小了一点，如果这时候如果直接再来一千人，那么这一千人里面又有五百人可以战斗，就有一千多人可以战斗。

战斗力相当于摩擦力，将领相当于载荷，军队总规模相当于表观面积，实际战斗人数相当于实际接触面积。这个比方有点啰嗦，不过很形象，可以帮助大家理解。而且摩擦力的真正形成原因莫衷一是，在理解摩擦力的过程中我参考了非常多的文献，教科书，并加入自己的理解，形成了上面这段文字，难免有疏漏和不妥之处，但总的方向是没有问题的，大家可以一起探讨。

这时候我们终于明白，高中以以前学习物理的时候都是把物体当做刚体或完全弹性体的，所以认为摩擦力与摩擦面积无关。在知识有限的初等教育中，这样的简化理解也是在所难免的。

轮胎和现实生活中的大多数物体的摩擦力都是跟面积有关系的。