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【空想科學實驗室】輪胎抓地力

「滾動阻力大」不等於「抓地力大」


發布時間:Feb 09,2016 10:00 作者: Randy

協力報導:KENDA建大輪胎

 

輪胎滾動順暢、滾動阻力低並不等於輪胎的抓地力大,我想這又是一個很多人都會誤解對於輪胎的迷思。

 

在我們開始談到抓地力之前,先帶到一個概念,抓地力用於輪胎的制動性能以及轉向性能,跟滾動阻力是兩種不同的東西,筆者也經常在車友間或者是網路訊息中還會看到類似的話題,這次就來探討抓地力對於輪胎的表現。

 

對於自行車來說,這裡必須先分成兩個部分來談,第一個轉向性能,再來是制動性能。抓地力對於轉向性能多半是用來看出車手轉彎時與離心力(橫向力)抗衡的力量,同時也跟入彎速度與傾角有絕對的關係,不過可以先知道的是抓地力與地面條件假設是固定值,橫向力如果大於與地面摩擦力時就會打滑。

 

 

上圖其實是以動力載具作為說明,當轉彎時橫向力大於縱向力,此時對於驅動能力以及制動力就會降低;以自行車來說除非在極端的競賽環境,需要到過彎加速的情況並不多見,也不具有跟機車一樣的驅動能力,所以看的還是當縱向力降低、制動性能也會跟著降低這個部分,這就表示當你在大轉彎進行煞車時(不管前後輪)都更有機會造成打滑,因為轉彎時的離心力更增加了輪胎與地面接觸的反作用力,也同等於抓地力在沒有增加的情況下相對來說是下降的,讀者們也可以回想一下,你是否曾經有在時速35KM/h以上、大轉彎時輕拉煞車呢?你的反應是將重心向垂直線靠、拉回傾角,還是不做反應繼續保持傾角呢?我想大多數車友都會是輕拉煞車、傾角稍微回正,因為你可能覺得快要滑出去了。

 

另一方面當縱向力大於橫向力(直線前進)這時候對於驅動時的摩擦力也就是推進的反作用力最大,所以瞬間加速並不會造成輪胎空轉、打滑。舉例來說就是我們可能還未見過任何一個自行車手在終點衝刺時產生輸出功率太大造成驅動輪空轉的狀況,也許在一級職業車隊瞬間千瓦的輸出加上重心離開驅動輪、降低下壓力時會有那個千分之一秒的機會空轉,但在實務上是非常難得的。所以你說想要讓後輪原地空轉,除了將重心向前輪靠、降低驅動輪的負重之外,對於一個正常的輪胎來說,在柏油路面幾乎是不可能讓後輪空轉或是打滑。

 

抓地力跟什麼有關係呢?再來我們看到接觸面積、輪胎材質以及地面材質會有絕對的關聯,因為這關係著摩擦力就是制動性能其一重要的因素。

 

F=μN

 

輪胎與地面的摩擦力(F)跟輪胎與地面的摩擦係數(μ)、荷重(N)成正比。先從簡單的要素來看,荷重就是指物體單位面積所承受的重量,假設雙輪重心、重量平均的話車手重量就是一個要素;輪胎與地面的摩擦係數μ,就是輪胎材質、接觸面積、地面材質的計算。

 

好,別看這個令人頭疼的公式了,簡單來說我們不能控制地面材質的摩擦係數,可能是柏油、水泥、磁磚,越是光滑的材質表面摩擦係數就會越低,所以在選擇行經路面的時候就要注意路面的材質,哪些情況會造成摩擦力降低呢?路面上的細沙、石粒、枯葉、號誌線、金屬人孔蓋等,有些是表面材質的關係,而另外一方面就是接觸面積變小的關係。

 

所謂接觸面積變小就是輪胎與路面中間加入了無數的細沙、小石頭,造成輪胎瞬間接觸面積減少或者是中間的介質本身摩擦係數就低產生打滑。但以輪胎這種橡膠材質來看它具有彈性,在細微表面的部份會有不同程度上包覆著凹凸的表面,在放大一點點來看,就是我們前一篇提到的TPI編織密度越高對於細小的凹凸會更多的接觸面積。但是這裡會有一個問題,公路車胎寬以23mm為例,接觸面積也許小於登山車胎,,如果是相同胎紋、胎壓以及編織密度,越寬的輪胎抓地力會越好,但是登山車胎大部分都是具有顆粒或者是較低TPI的屬性,這時候就必須看成是橡膠材質的顆粒與地面接觸面積也許會比公路車胎還少,當然實務上這必須要經過印證,但就接觸面積來說,顆粒狀的胎面會比較少。

 

 

上圖也可以看到,當推力低於最大靜摩擦力時物體就是靜止狀態,一旦突破最大靜摩擦力之後就會滑動並且稍微降低成為動摩擦力,此時物體只要保持在動摩擦力的界線間就會持續滑動了。換個方式來說,要得到最大的抓地力就必須要維持在動摩擦力與最大靜摩擦力之間,這時候的抓地力就是最大值,超過這個力量就會滑動。

 

以制動性能來說就要換個方式來看,因為我們在行進中必須要靠行進的力量來維持操控,一旦輪胎鎖死就會失控,也是所以汽車上會有防鎖死煞車系統來避免失控。而輪胎在談制動性能就是指煞車距離的長短,煞車距離的長短就跟接觸面積、輪胎材質與地面材質有關,接觸面積會關係到輪胎的花紋設計、材料配方的問題,而地面就看使用者了。接觸面積越大會有更高的摩擦力,如同前面提到的顆粒胎在全平面的道路上接觸面積也許是比較小的,以場地賽為例,在完全可預期的路徑以及全平面的賽道裡,使用平面的光頭胎對於場地會有最大的抓地力以及摩擦力,而且也不會有水膜,所以輪胎也不需要有排水溝槽;如果在這個場地使用了顆粒胎,抓地力以及摩擦力就會下降,這完全取決於使用的場合與環境。

 

換到一般公路來看,路面是柏油路面、可能有細沙、轉彎、積水等等各種狀況,雖然還不致於到off road的環境,但也必須要面對這些不確定的因素,所以在戶外公路路面要使用全光頭沒有花紋的輪胎就必須要小心,因為他的操控、排水、制動力也許就不那麼好。

 


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