为什么公路自行车的车轮很窄？

Shuo Liu

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简单粗暴的事实：

轮子细利于减重，利于减小风阻，这两项在公路车上面有着压倒性的重要性。其他条件如重量、胎压等完全相同，而仅有轮胎粗细不同时，滚阻区别不大。本文中滚阻均不包括风阻。我先说几个简单的事实，回头填坑，这个问题很有意思：

1.根据schwalbe公司的说法，超过20km/h时风阻就超过滚阻成为了主要因素，因为风阻和速度的平方成正比。2.重量，尤其是轮圈上的重量，对性能影响很大，因为转动惯量和半径的平方成正比。细轮胎容易做的很轻。

总而言之：平方牛逼，滚阻什么的靠边站

------------------------------------------说一下滚阻--------------------------------------------------------------------------------滚动阻力是一个大话题。首先丢给你一个wiki的连接，先看看Rolling resistance

以下引自wikipedia

注明：很多对滚阻的定义不一，比如有时候轮子与地面相对微小滑动时的阻力，火车在铁轨上左右晃荡的摩擦力，这里暂时不考虑这些奇葩的东西（其实是我不会哈哈哈），也不考虑空气阻力。

主要分成三种：

1.刚性轮，在柔性路面的表现（刚柔性是相对，不是绝对，意味着不考虑轮的形变）；2.柔性轮，通常情况是充气轮胎，在刚性路面上（意味着不考虑路面形变）的表现3.一块是路面和轮子刚性相似，考虑轮子和路面形变的表现（比如火车在铁轨上）。

1.刚性轮胎，柔性路面

比如在沙滩上骑自行车。

可以看到，影响较大的是轮子陷得有多深，别的相对可以忽略不计。因此适用于泥地、雪地里的自行车fatbike是这样的：

一切为了降低陷在地里的深度来减小阻力。

2.刚性路面，柔性轮胎。

这是研究的最多的情况，因为绝大多数轮子都是采用的充气橡胶轮胎。也是理论普及比较广的一种情况。

这种情况下，和滚动阻力关系最密切的是一个叫做Elastic hysteresis，弹性迟滞的现象。Hysteresis

声明：不是材料或者力学专业，求专业人士斧正，看管请批判性思考

首先明确弹性和粘性：

理想弹性：应力与形变成正比，即虎克定律，例如：拉伸一个弹簧，拉伸越长越费力；理想粘性：应力与形变速率成正比，例如：搅动一杯粘糖浆，搅的越快越费力。

如果是理想弹性材料，那么外力所做的功全部以弹性势能的形式储存在弹性体内，可以将等量能量以机械能完全释放。如果是理想粘性材料，那么外力所做的功一部分转化为内能被粘性体耗散，一部分转化为粘性体的机械能，不会有势能储存和释放。

高分子材料(例如橡胶)的力学行为在通常情况下总是或多或少表现为弹性与粘性相结合的特性，这种特性称之为粘弹性或者粘弹塑性。这种结合因材料不同而会表现出不同的弹性或粘性程度。

总而言之：橡胶变形恢复过程中，一部分机械能转化为内能。

其次明确弹性迟滞Elastic hysteresis

（引自百度百科，橡胶就属于聚合物）聚合物的加工过程是外力和温度的共同作用下，大分子形变和进行重排的结果。由于聚合物大分子的长链结构和大分子运动的逐步性质，聚合物分子在外力作用时与应力相适应的任何形变都不可能在瞬间完成，大分子从原状态在外力作用下经过形变、重排，直到与外力相平衡，这个过程可以看做一个松弛过程，它所需的时间称为松弛时间。由于松弛过程的存在，材料的形变必然落后于应力的变化，聚合物对于外力相应的这种滞后现象称为”滞后效应“或”弹性滞后“，导致加载-应变和卸载-应变曲线不重合的现象，如下图所示。

形象描述一下：

你用力快速猛拉一个原长10cm的橡胶条，一半全力时变成15cm，全力时最终达到30cm;然后开始逐渐放松拉力等待它恢复原长，一半全力时变成25cm，放松时最终恢复10cm。再与一个某个也是10cmd 理想弹簧比较，一半全力时变成20cm，全力时最终达到30cm。再逐渐放松拉力等弹簧恢复原长 ， 一半全力时变成20cm，放松时最终恢复10cm。总而言之：对于某橡胶，猛一拉它变长很慢，猛一松它缩短也很慢。

显然，理想弹性体的加载卸载曲线与速率无关，总是一条直线。而粘弹性体会有两条曲线不重合，这两条曲线中间包围的部分就是耗散的内能。这条曲线的形状随着材料不同而不同，有时候也会无法回到原长，比如橡皮泥，比如面团饺子皮。

再结合之前的粘弹塑性（与应变速率相关）：你拉/压地越猛越快、放松地越猛越快，这种现象就越明显，即就有越多地能量以内能耗散。

从上图中可以看出，每条曲线下方的的部分就是所对应的能量，因此可以得出结论：

橡胶初始变形所需的能量，总是大于恢复原形时释放的能量，能量差以内能耗散。好了，现在我们解决了为什么篮球越弹越低的问题，哪怕再真空中没有空气阻力。

然后回到车胎。

下图是自行车前轮（非驱动轮）与地面接触示意图，虚线为车轮的轴心，车子正在向右走。

根据刚才的理论，受力图如图所示，仔细想想应该想得通。车胎前面（图上右边）猛地被挤压，产生了较大的力。车胎后面（图上左边）虽然正在离开与地面的接触，但是轮胎慢吞吞的回弹，轮胎和地面之间的弹力没有那么大。

车子的重力沿着轴线向下，对轴线上任意一点取弯矩，重力产生弯矩为零，而图中红色力的合力会产生让车轮逆向旋转的扭矩。

这就是滚动阻力。

好了，现在为了减小滚动阻力，看看有什么办法。

1.选择合适的橡胶品种，让这个迟滞效应尽量减小。你要是只骑着一个轮圈不装轮胎，那想必滚阻是极好的（但是你没法拐弯了LOL），理想弹性大法好！2.气压打足，轮胎硬邦邦，这样上图中平坦的部分就会变短，红色合力的力臂也会变短，导致它产生的逆向扭矩变小。嘭！3.车子尽量轻，人也滚去减肥，这样总重减小，红色部分的合力大小减小，导致它产生的逆向扭矩变小。4.其实吧，，你也可以骑得慢一点，这样变化速率减小了，迟滞效应就不明显了，能量损耗就减小了。“哥们，骑慢点滚阻小，省劲儿！终点见！”5.以上条件完全相同时，轮胎宽窄对于滚阻似乎没有影响。然而，细轮胎胎压可以打的非常高，是山地车宽轮胎的好多倍（这个应该好理解，轮胎最大气压和轮胎粗细，以及轮圈可以承受的总压力），相对的形变比山地车少，因此能量损耗也低。例如，山地车胎一般胎压最高为65psi， 而公路管胎可以高达200+psi。同时还要注意，当车胎宽度达到一定程度后，模型就变成了一个曲面中心受压，而不能简化为上图的一个曲线中点受压，分析起来会有一定区别。总而言之：其他条件完全相同时，轮胎粗细对滚阻影响不大，远低于车重变化和空气阻力变化的影响。

---------------------------------------------------我们回到车轮：---------------------------------------------------根据题主你的问题，看来是想问滚动阻力和接触面积的关系。如果仅仅考虑这两个因素，我还没有找到很权威的结论。然而，问题是基于现实的，要将不同宽度的轮胎控制到形变难易程度、胎压都一致的情况是有难度的，现实中也没有变量控制的这么好的实例。而脱开滚阻大小，公路车还要考虑空气动力学、重量和转弯时候的抓地力，因此并不是越细越好（如同楼下 

@Andy Ye

 所提到）。稍宽的轮子和轮胎可能有更好的空气动力学表现。盗个图，来源：微博

最终公路车轮胎的宽窄是以上各个因素相互权衡考虑之后达到的一个相对最优化的结果，其中着重考虑的是空气阻力和重量，而不是滚动摩擦力，这是“为什么公路车轮胎这么窄”的回答。

。。。。。。其实还没完，

3.轮子与路面刚性相似

火车在铁轨上需要考虑轮子和铁轨的形变。不知道你们怎么样，我有点儿累觉不爱了。就酱吧。。

作者：Andy Ye链接：https://www.zhihu.com/question/25522742/answer/30993992来源：知乎著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。

也不一定是越窄越好，现在的趋势是25C的轮胎，因为在使用胖圈碳纤维轮组的时候风阻比别的尺寸的更低，在高胎压下的滚动阻力反而小，而且过弯有更好的抓地力。

具体数据请看下文：

Notice anything fat in photo above? It’s can’t be the riders … nor the spectators. Instead look at the front wheel where Matthew Goss is running a 25mm wide tyre.

One trend in bike technology for 2013 is the advent of wider rims and tyres and, accompanying this, the progress of clincher tyres. It’s common to see 25mm width tyres on team bikes today, something that was unthinkable a few years ago.

As background it was long thought that the narrower the tyre, the faster it was. Especially when riders faced a time trial wheels could appear with 18mm tyres. These had the advantage of being narrow and so more aerodynamic and because there was less material, lighter too. It wasn’t just for the special stages, much of the bunch would ride on 21mm tyres for the whole year.

Once or twice a year things got wider when it came to the Tour of Flanders and Paris-Roubaix. But go back to 2006 and the reliable build-up of George Hincapie’s chances. In a piece looking at his bike there’s talk of 23mm and 26mm for the day.

These days Argos-Shimano, Blanco, BMC Racing, FDJ, Omega Pharma-QuickStep, Orica-Greenedge, Radioshack-Leopard and Sky are running 25mm. Why? Well increased grip is one explanation. But there’s more to it. Here’s one reason:

We went from 21mm and 23mm to 25mm tyres in the last few seasons; new research shows that 25mm have less rolling resistance and I have the feeling they give more comfort and traction so it’s a win-win situation– Koen de Kort, Argos Shimano speaking to RIDE Cycling Review, Issue 59, p95.

Rolling resistance is the resistance encountered for a wheel to roll over obstacles in its way. The smoother the road, the lower the resistance. Unlike aerodynamics this is a linear force that increases in line with speed. Do wider tyres have lower rolling resistance? Probably as they are able to deflect more on the road but it depends on the pressure of inflation. As the wheel rolls over the imperfect tarmac the tyre constantly deflects as it crosses the surface.

The narrower the tyre, the longer the measurement for S

The diagram comes from Schwalbe and they explain that at the same tyre pressure, a wide and a narrow tyre have the same contact area. A wide tyre is flattened over its width whereas a narrow tyre has a slimmer but longer contact area. The long flatter area is less round so it doesn’t roll so well. In other words the shorter the S-measurment, the rounder the wheel. Bikeradar has more on this.

The evolution of the revolution

But there’s a new factor as well to explain the adoption of 25mm tyres in the peloton and it’s come through rim design. I think it began with Zipp’s Firecrest models (edit: I was wrong, it was HED, see comments below) which use a wider rim that’s bulbous in profile as the cross-sections above show. The wide profile is supposed to offer improved aerodynamics but what’s certain is the width, the rim is so wide it cannot be swapped easily with a standard rim because the brakes need adjusting. This was evident with BMC Racing earlier this year when they were marking bikes with tape according to what rims they’d got. BMC use Shimano wheels, the Japanese manufacturer is also offering wide rims. The same for Bontrager and we saw Fabian Cancellara in the Tour of Flanders using broad rims from Bontrager.

Wide = StrongI have another theory about wide rims. They may offer increased aerodynamics but they are stronger too. Being wider means a larger arch which helps brace the rim against impacts, infact the sidewalls can offer some slight flex outwards. Here the rim can, in a tiny way, act like a tyre to dampen impacts. This is good for pros pounding the cobbles… but even better for manufacturers who get fewer breakages and returns after selling wheels to weighty weekend warriors. Put another way rims might be more sold as more aero but they’re certainly stronger too.

Clinchers, a stage to tubeless?Finally a note on the topic. For years clinchers were an inferior product and required a heavier rim because of the sidewalls with hooks. The rim weight remains but because the mass market is dominated by clinchers a lot of R&D has gone into improving them. To the point where they offer lower rolling resistance. We’re now seeing riders using clinchers in time trials because they don’t mind about the wheel weight when they’ve already got a heavy disc on the back wheel.

Looking ahead one day perhaps all riders will use tubeless tyres. These have the body of a clincher but there’s no inner tube since the bead forms an airtight seal with the rim. It’s used on some mountain bikes and of course cars but the market is limited for now with road bikes. But if the market can adopt 25mm tyres when once upon a time it would have been unthinkable, who knows?

SummaryOnce reserved for training, touring or Paris-Roubaix, now 25mm tyres are being used by nearly half the World Tour peloton. Increased grip and better rolling resistance come with width. But comparisons with the past aren’t fair because modern casings are much more supple yet lighter, you can have a 25mm model today that would have felt like a tractor tyre a decade ago.

Is there a big difference? Probably not but everyone is hunting for marginal gains. The revolution is in the spin of the wheel rather than design, the difference of two millimetres is evolution. Tyre width also also a function of the rim choice, it’s not just a question of glueing on wider tyres. Teams running 25mm are often those with wheel sponsors supplying wide rims. Squads on narrower rims, for example using the Campagnolo Bora, are using 23mm. Tyre pressure, the rubber compound used, the condition of the roads, the tube used inside and more all have their say. But fat tyres are here to stay.

Reinventing the Wheel: The 25mm Revolution

 最新趋势是，25、27甚至更宽的超胖圈开始流行。随着UCI的解禁，碟刹在公路赛场全面开放。没有了公路夹器的限制，轮圈可以做到更宽。

宽胎的好处在于：

气动性能更好。

侧向抓地力更强，过弯更稳。

较宽的轮胎可以减少变形量，从而降低滚动阻力。此前芬兰专业测试机构Wheel Energy Oy对数十款轮胎进行测试，最终SPECIALIZED 26mm宽胎的滚阻最低。

宽胎能适应更复杂的路况。

上图是加强过的凸纹，适用于山地车，追求更大的摩擦力，对于更复杂的路面具有良好的通过性。上图是题主问的平纹，适用于城市自行车，主要功能是排水和增加少量摩擦力。见于折叠车，死飞，和各种定位城市铺装路的类型。上图是公路车光胎，主要适用于赛道或者城市铺装路。追求更大压强和更轻的重量。通过性较差，路面适用性较差。比凸纹更容易打滑。但是速度较快。凸纹是追求通过性，道路适用性更好，摩擦力更大，但是重，速度慢平纹适合城市路面，排水性更好，摩擦力较大，较轻，速度适中。光胎追求速度，适用性较差，易打滑，轻，速度快。感谢@faker yi 同学补充摩擦力的大小在干燥铺装道路下是光头胎最大，凸纹最小，f1在晴天也是用光头胎的。感觉光头胎摩擦力小是因为光头胎排水极差，遇到有水的地方水和泥形成“润滑剂”膜而打滑。花纹主要针对路边是否干燥，是否有泥沙积雪等等，单纯讲通过性轮胎宽度影响更大以上是个人理解，还请专业人士斧正。

作者：麦克北链接：https://www.zhihu.com/question/40495676/answer/86857604来源：知乎著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。

平纹和凸纹是习惯的叫法不一样，上图区分。

上图这是普通的自行车胎，在本答案中就当做是题主的凸纹。这种轮胎主要是增加通过性，加大摩擦力来使用。一般适用于城市内普通自行车。

作者：Haoyu Wang链接：https://www.zhihu.com/question/40495676/answer/86907192来源：知乎著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。

嗯哼，人类认识事物的基本方式是（手作切豆腐状）分成块！——以此纪念我的初中地理老师===================================利益相关：本人是山地车爱好者，文中提到的任何品牌或产品都没有以任何形式给过我报酬。本人尽量做到只有干货不夹杂个人感情因素。===================================下面是干货，16-02-19更新===================================

一些相关的事情：

刹车的时候，因为惯性原因，重心会前移，所以前轮承重变大，这样前轮的抓地能力就增加了，这时候后轮的抓地能力会减小

加速的情况反之，后轮的抓地力增加。不过普通人的扭矩输出远不会到刹车那么大

如果用通常骑自行车的姿态骑行，当我们在自行车上向前滑行的时候，后轮会承担更多的重量，所以后轮为主要承重轮。也因此后轮的阻力比前轮的阻力更加容易影响我们自行车的行进，同时

后轮磨损也一定比前轮快。

滚动阻力和抓地力几乎是无法拆开的一对几个关于轮胎滚动阻力的变量：胎宽（就是轮胎的宽度咯，通常轮胎宽的也会相应地高，轮胎的截面都会比较接近圆形）、胎压（也就是气压）、纹路（轮胎与地面接触的地方的面、块、齿等等）、橡胶配方（就是轮胎的材质）、薄厚、重量、有无内胎（恩，有些轮胎是不需要内胎的，大多时候称为真空系统、真空胎）答主问的是第三个，我觉得很难拆开所以就一起说了。下面讨论都是控制另外两个变量的情况。

胎宽：胎宽越大，轮胎与地面接触面积越大，因此滚动阻力越大（当然重量增加也是一个因素）。

胎压：正常胎压范围内，胎压越低，轮胎接触地面面积越大，因此滚动阻力越大。

胎纹：胎纹就不是简单的接触面积的关系了。显然地 光头，半光，齿胎 这三种滚动阻力依次增大。对于有纹路或者有齿的轮胎，有一个比较粗略的判断方法就是看转动的时候，车轮中心20%左右的花纹排布。以下举几个栗子哦不对……例子

首先来看看我平时用来通勤的轮胎（注：各类产品都会有更新换代，请通过本文学到的知识自主选择

上图是玛吉斯的Crossmark（黑色箭头为轮胎转动方向），我用这个轮胎通勤。这个轮胎在胎压合适的时候只有黄色线之间的区域接触地面，而这种小块密集的设计比较有利于保证一定的抓地力。因为轮胎的齿都在同一个平面上，因此滚动阻力不太大。当刹车的时候（负载加大），红色线之间的区域会接触地面，帮助咬住地面减小刹车距离。

之前通勤用过的另一款轮胎

上图为建大的K1047，俗称小八块（因为一组8个齿）。这个轮胎如果胎压比较充足，图中黄色线内部分接触地面，因为胎齿之间空隙较大，因此阻力会稍微大一点。当负载大一些的时候红色部分也接触地面，反而让胎齿间空隙有所减少。因此可以看出这是一款偏向低压的轮胎。我觉得这轮胎的初始设计是为了轮胎在不同负载下的工作状况比较稳定吧。也许有时候需要后货架带人的兄弟可以考虑后胎用这个。另外感觉这个轮胎湿滑路面对抓地力影响略大一些。

之前越野用的轮胎

上图是Onza的Greina FR，一个纯越野用的轮胎，胎齿很高，所以在柏油或者水泥路面上抓地并不好（真心的，越野胎在柏油路上都这样），在泥土路面上表现非常好，不过在湿泥地压弯会测滑。

松下，待续

玛吉斯highroller，待续

轮胎耐磨与抓地……几乎是死对头，两者通常无法兼顾

下面聊聊一些轮胎选择方面的结论

城市通勤用车：

如果对运动性能要求不高（并不骑快车），刮风下雨也并不骑，路况也好，那么选择比较窄的光头胎，前后一样，定期调换。后轮使用接近规定胎压上限的压力，前轮压力稍低即可。

如果对运动性能比较高（追宝马不费劲），那么选一个抓地性能比较好的前胎（例如比较偏重公路性能的齿胎或者半光），和一个滚动阻力较小的后胎（基本上光头胎就行，或者半光也行）即可。

山地车：

比较复杂，###待更新

公路车：

看了一下还真的是有一些区别的，不过我不太懂，只能根据自己的理解说几句

 这个涉及到轮胎的用途。

公路车：如果不下雨可以用特别光的胎，表面纹路很少，阻力小速度快。如果稍微有雨或者水，就带一些纹路，比较浅，主要是为了排水，放着在轮胎与地面接触位置形成水膜，造成打滑。越野公路车用胎会有很多连续细密的小凸起，为了是在泥泞土质沙石路面上能够压入地面，从而获得更好的抓地力。xc，am，trail，dh：轮胎上的凸起大小一次递增。轮胎上凸起与凸起之间的间隔依次增大。较小的凸起有较小的风阻，但是在越野路面上不一定能够获得足够抓地力。凸起的间隔越大，风阻越大，胎噪也越大，在铺装路面骑行的抓地力下降，但是在越野路面，根据压强原理可知凸起能够更多的陷入路面，获得极大的抓地力。不同品牌不同型号的轮胎都有不同的适应倾向，具体可查看产品型录。例如我用过马牌speedking，虽然写了speed，但是还是一款明显的越野胎，粗大的颗粒，巨大的间隔，越野很给力，但是平路那个酸爽。

s牌renegade，平路，越野各方面都不错，准真空，可惜不耐磨。简而言之，光头胎滚阻小，安静无胎噪，且路感清晰，光滑水泥地还是颗粒柏油路闭眼就能感觉到。 但是侧面没有抓地力，地上有个坎的话你的结局只有侧滑扑街。

齿胎或者颗粒花纹胎以上特点基本相反。 但颗粒纹的感觉上更平均。

不过讲真啊，公路车上的胎就那么细，以上特点都是很细微的差距，不像山地车。 总之提升功率与控车技术才是王道