racingcardynamics译文

要讨论赛车动力学，最好从轮胎开始。这些小巧的橡胶组件是车辆与赛道的唯一接触面，也是车手确保车辆行进方向的唯一途径。正如赛车传奇 Carroll Smith所说，“赛车轮胎是车手的麻吉”。

它们太过复杂，一气儿解决是不可能的，至少是不明智的。这也正是这篇文章作为该系列初章的原因，每一篇都各有侧重。先来探讨其最重要的特性（假定我们讨论的是环形赛轮胎）：侧向力。

摩擦机制

首先讲明，轮胎与赛道之间的作用力严格讲不是摩擦力，古典摩擦定律说摩擦力与物体上垂直载荷成正比，与接触面积无关。这种理论在物理和工程学中广泛应用，但不适用于轮胎。

轮胎产生的横向力主要取决于垂直载荷，但也与轮胎宽度，尺寸和胎压有关，这些与轮胎接地面显著相关。下面提到轮胎与赛道表面产生的作用力时，我会使用术语“摩擦力”或者“抓地力”，因为大部分文献都这么讲。

轮胎接地面所产生的作用力主要来自两种机制：附着和迟滞。附着力来自轮胎橡胶与赛道表面集料间的分子间作用力。干燥路面上作用力更大，但在湿滑路况下就会显著下降，因此雨天抓地力会下降。

要解释迟滞现象（hysteresis）如何在轮胎接地面产生抓地力，首先得弄明白什么是迟滞现象。就轮胎而言，迟滞现象是指轮胎在形变之后，延迟恢复自然状态的一种倾向。不好理解？是有点儿。再讲直白些：如果你用指甲按压低迟滞公路轮胎胎面，橡胶会迅速恢复自然状态，而对高迟滞赛车轮胎这么做，印记会停留几秒钟，恢复得相当慢。

不过，迟滞现象是如何产生抓地力的？当轮胎变形时，会储存弹性势能，这些势能会在轮胎恢复时释放出来。当橡胶处于舒张阶段，由于有迟滞现象，势能会有所损失，转化为热能，因此胎面与路面之间会产生阻力。产生这种阻力的确切机制还不太明白，不过Paul Haney在其书中《The Racing & High-Performance Tires: Using Tires to Tune for Grip and Balance》给出了独到见解：

“如图所示，橡胶与非正则曲面（不规则表面）之间有一些滑动。如果高迟滞橡胶在经过不规则表面时缓慢复原，其对上游面的压力小于对下游面的压力。即便不规则表面经过了润滑，其上下游面间的这种压力差，也会导致摩擦力的产生。”

1.橡胶滑动过程中的迟滞现象

横向弯曲和侧偏角

当车手转动方向盘，车辆开始过弯。由于车身惯性，产生了向心力，或者把车辆往弯道外侧推动的惯性力。这个力（并不真实存在，只是惯性产生的表观力）也会传导至轮胎，使其产生横向弯曲。下图展示了轮胎在形变之后的样子。

2.轮胎横向弯曲

横向弯曲产生的原因有两个：首先，轮胎有弹性，也即在扭曲过程中，轮胎与路面接触的这部分（称为接地面）不会像轮胎其余部位旋转得那么多（此处的旋转，指的是车轮转向）。由于轮胎有弹性，轮胎接地面附近的位置也会有一定横向弯曲。

一旦轮胎滚动起来，轮胎中的橡胶颗粒会轮番接触地面，并且在经过接地面前、中、后沿时产生侧向弯曲。另一方面，橡胶颗粒彼此相连，因此轮胎形变始于颗粒到达接地面前沿之前，终于橡胶通过接地面后沿之后。图3显示了颗粒接触路面前、中、后过程中发生的形变。