自行车轮胎上常常刻有花纹,这是为什么?运用详细的物理知识回答.

Question

自行车轮胎上常常刻有花纹,这是为什么?
运用详细的物理知识回答.

Answer 1

胎面花纹的科学
我们都知道,汽车车胎不仅承载着全车的重量,而且还起着避震和缓冲的作用,因此它是汽车最重要的部件之一,对于汽车的驾驶性、透过性、舒适性和安全性都有着直接的影响.因此,我们对车胎的认识是异常重要的.
但是,要想对车胎有更深的认识就必须从胎面花纹开始.因为,花纹（即车胎的表面形状）在车胎设计的四大要素中是最复杂,也是重中之重的.它不仅决定了车胎的使用特性,而且还决定了车胎的抓地力、排水性以及噪声.我们甚至可以通过车胎表面的花纹或胶块的形状就可以轻而易举地看出车胎偏向于哪一种作用.例如：如果胎面花纹的胶块都是大块的,那么这种车胎应该偏重于抓地力；如果胶块是多且较小并有较多的沟槽,就应该是偏重于排水；如果在中线两侧胶块花纹适当错位,便有助于降低噪声.
胎面花纹如此重要,那是谁发明的呢?这个问题已经没有准确答案了,我们只知道它大致出现于1892年前后.最原始的胎面花纹其实很简单,仅是一些直线的楞花.但在路面情况,车速、载重等各方面条件的不断变化下,轮胎的花纹经过一百多年的发展,也在不断地改进中变得越来越复杂多样起来.
轮胎上为什么要刻上花纹?简单的说就是为了使车轮增加与地面的附着力,从而更好地前进.所谓“增加与地面的附着力”,和我们一般意义上认为的“增大与地面的摩擦”是不一样的.从科学的角度说,在城市的沥青路面上,花纹一般对摩擦力没有影响,所说的附着力指的是在特殊情况下胎面花纹产生的效果.比如,刚下过雨,路面上有一层水；刚下过霜,路面上有一层尘士或细沙,这时路面的性质条件改变了,增加了一层“润滑剂”——水、冰、或砂砾.在这种情况下,刹车时,胎面花纹在地面上一蹭,就把水,砂等刮到花纹的槽里,甩到一边,保持了路面与车轮间的良好接触,使车轮与地面的摩擦不受影响,或者说,在这种条件下增大了车胎与地面的摩擦力.这也是为什么我们一直在提醒车主,当轮胎的花纹里嵌入了石子和泥块时,一定要及时清理的原因.
各种不同的车辆,车胎上的花纹也不一样的,这里也是很有讲究的.譬如：公共汽车轮胎上的花纹是锯齿纹,这样就可以减少车辆的噪音,经得起摩擦；拖拉机轮胎上的花纹是斜牙纹,就是使轮胎不容易沾上泥土和泥浆,能够很好地在田野上行驶.
现在轮胎的形式很多,人们习惯将它们分为通用、高越野性和联合式花纹3大类.而它们的几何形状大体有纵向直线、横向直线、斜线、块形和混合式等5种.通用花纹也叫公路花纹,是使用最早而又最普遍的一种.比如,公路汽车轮胎上常见的纵向直线型和锯齿型花纹,它们可以消除噪音,所以也称无声花纹.专供车辆在荒野及松软土地上行驶的高速越野花纹,块大,都带有宽而深的啃泥花纹沟,行驶时不易夹石、藏土和打花.它们特别适合用于电引力和对地面抓着力要求高的拖拉机、牵引车.联合式花纹的轮胎,它们既能在硬性路面和石子砂砾路面上行驶,亦可行驶于松散、泥泞和冰雪路面.
胎面花纹对车胎影响是多方面的,有时甚至是互相影响,彼此矛盾.因此从设计的角度来说,对于一些设计参数不可能做到面面俱到,追求最优,只能根据车胎的用途突出重点,优化选择.