任少鐸

(廈門市海滄區(qū)東孚中學(xué),福建 廈門 361000)

要給學(xué)生一杯水,教師至少要有一桶水.因此,對(duì)于學(xué)生的疑問(wèn),教師應(yīng)當(dāng)以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和學(xué)生一起深入分析與研究,而不是人云亦云的糊弄過(guò)去.實(shí)事求是的去求證和研究的過(guò)程,不僅可以提高教師的核心素養(yǎng),也能通過(guò)言傳身教提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

1 問(wèn)題的提出

中學(xué)階段,認(rèn)為影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素只有兩個(gè):接觸面的粗糙程度和壓力的大小.而對(duì)于胎面花紋的作用,目前,主流觀點(diǎn)認(rèn)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(diǎn).

例1.(2016年福州中考簡(jiǎn)答題)自行車輪胎表面有凹凸不平的花紋,請(qǐng)解釋這樣設(shè)計(jì)的目的.

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

然而,亦有學(xué)生認(rèn)為,胎面花紋實(shí)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(huì)影響摩擦力的大小.我們亦無(wú)法找到相關(guān)理論否定這種觀點(diǎn).

那么事實(shí)究竟如何?對(duì)此,筆者與學(xué)生一起進(jìn)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(yè)領(lǐng)域并無(wú)該詞匯.工業(yè)領(lǐng)域只有“表面粗糙度”這一表述.顯然,教材中的“粗糙程度”對(duì)應(yīng)的就是工業(yè)領(lǐng)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(jiàn),“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(jīng)不屬于微觀微觀幾何形狀誤差.因此不能認(rèn)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(méi)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(jī)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(zhì)

中學(xué)教材中介紹的摩擦力規(guī)律,源于庫(kù)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(dòng)面的表觀面積無(wú)關(guān);

(3) 滑動(dòng)摩擦力與滑動(dòng)速度無(wú)關(guān).

事實(shí)上,這個(gè)定律比較符合金屬等硬性物質(zhì),當(dāng)金屬和接觸面相接觸時(shí),真正接觸的只不過(guò)是極少數(shù)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(dòng)速度、溫度等因素都有關(guān).[3]

如圖1所示,當(dāng)輪胎在地面滾動(dòng)時(shí),在接地區(qū)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(gè)區(qū)域:前部的附著區(qū)和后部的滑移區(qū).在附著區(qū)內(nèi),胎面與地面無(wú)相對(duì)滑動(dòng),而在滑移區(qū),胎面相對(duì)于地面向后滑移.因此,輪胎橡膠摩擦力和摩擦系數(shù)之間的關(guān)系,通常不遵守庫(kù)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(guān)系.[4]因此,在物理學(xué)中,有所謂“滑動(dòng)摩擦力”和“滑動(dòng)摩擦系數(shù)”的概念,而對(duì)于橡膠材質(zhì)的輪胎,習(xí)慣用“附著力”和“附著系數(shù)”表示.顯然,“附著力”和“滑動(dòng)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(guī)律來(lái)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(dòng)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(méi)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(méi)有起到增大輪胎與地面的附著力的作用.相反,無(wú)花紋的輪胎,與地面的附著系數(shù)反而可能更大,如圖2所示.

圖2 3種輪胎在排水能力極強(qiáng)的

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

4.2 在濕滑路面上,花紋才能“大顯身手”

事實(shí)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(shù).

這是因?yàn)?路面潮濕時(shí),地面會(huì)附著一層極薄的水膜,而水膜會(huì)對(duì)輪胎產(chǎn)生動(dòng)力潤(rùn)滑作用,使輪胎上浮.動(dòng)力潤(rùn)滑作用的強(qiáng)弱與汽車行駛的速度有關(guān),當(dāng)汽車行駛的速度超過(guò)一定值時(shí),動(dòng)力潤(rùn)滑作用就會(huì)使輪胎完全脫離地面,稱為“滑水現(xiàn)象”.因此,輪胎在濕滑路面上的受力情況就變得非常復(fù)雜.

當(dāng)車輛速度小于完全滑水的臨界速度時(shí),接地面可粗略劃分為3個(gè)區(qū)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(qū)(對(duì)應(yīng)圖4中A區(qū)),該區(qū)為完全上浮區(qū),此區(qū)內(nèi)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(qū)(對(duì)應(yīng)圖4中B區(qū)),該區(qū)內(nèi)水大量流失,但仍留有一層水膜,但水膜逐漸變薄,此區(qū)為不完全接觸區(qū),輪胎與路面部分接觸.

(3) 牽引區(qū)(對(duì)應(yīng)圖4中C區(qū)),在該區(qū)內(nèi)胎面與路面完全接觸,胎面單元的法向平衡得到維持,并對(duì)汽車產(chǎn)生有用的牽引力.[5]

圖4 潮濕路面輪胎接地實(shí)物圖

3個(gè)區(qū)段的長(zhǎng)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(shí),牽引區(qū)較長(zhǎng),車輛具有良好的操縱性.隨著車速變大,牽引區(qū)慢慢減小,當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界速度時(shí),牽引區(qū)完全消失,整個(gè)輪胎浮于水膜上,發(fā)生完全滑水現(xiàn)象,車輛失去可操縱性.[6]

而當(dāng)路面潮濕時(shí),輪胎上的花紋可以有效地使水通過(guò)花紋排出,從而增大輪胎與地面的附著系數(shù),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(diǎn)

胎面花紋有很多類型,其特點(diǎn)各異,部分種類如表1所示.

表1 胎面花紋的類型及其特點(diǎn)

條形花紋,排水性很好,防側(cè)滑,轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性優(yōu)異,且滾動(dòng)阻力小,噪音低.

橫向花紋,驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力很強(qiáng),滾動(dòng)阻力比較大.

混合花紋,結(jié)合了條形花紋和橫向花紋的優(yōu)點(diǎn),性能非常好.

越野花紋,又稱為塊狀花紋,排水性良好.制動(dòng)和操控性能優(yōu)越,雪地和濕路上的操控性穩(wěn)定性不錯(cuò).[7]

5 結(jié)論與建議

5.1 總結(jié)與結(jié)論

根據(jù)以上分析,我們可以得出結(jié)論.

(1) 教材中的摩擦力規(guī)律,并不適用于輪胎與地面之間的摩擦力.

(2) 輪胎花紋,沒(méi)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(jiǎn)化相關(guān)理論,但絕不可傳遞錯(cuò)誤的知識(shí).[8]廣大一線教師切勿人云亦云的傳授給學(xué)生錯(cuò)誤的知識(shí),而是用考證的態(tài)度去深入思考有關(guān)理論,這樣才能使師生的核心素養(yǎng)得到共同提升.同時(shí),建議各地中考命題,切勿再以教材中的摩擦力理論來(lái)分析輪胎花紋的作用.