自行車煞車片的工作原理：制動力背後的科學
你是否曾想過，自行車上那小小的煞車片是如何讓騎車人和自行車迅速停下來的？
大多數人都知道煞車片的作用——讓自行車停下來。但很少有人真正了解它們的工作原理。每一次平穩的停車和可控的下坡背後，都蘊含著物理學、工程學和智慧材料科學的巧妙組合！
讓我們來分析一下煞車片的科學原理，以及為什麼有些煞車片的性能比其他煞車片更好。
1. 基礎知識：將動能轉換為熱能
還記得科學課上我們學過能量既不能被創造也不能被消滅，只能從一種形式轉化為另一種形式嗎？煞車過程中就是這種情況！
當你的自行車行駛時，它就具有動能－運動的能量。
動能可透過以下公式計算：
0.5 × 系統質量 × 速度的平方。
由此可見，總動能取決於兩個變數：
1）騎士和自行車的質量
2）速度（你前進的速度）。
系統質量越大和/或速度越快，能量就越大。然而，由於動能與速度的平方成正比，因此速度對總能量的影響尤其巨大。
每次速度翻倍，總動能就會增加四倍！這就是為什麼在自行車長下坡路段，穩定可靠的煞車至關重要！
如今大多數自行車都配備了液壓碟煞，拉動煞車桿時，煞車油會被推向：
- 煞車卡鉗將煞車片壓向煞車碟盤。
- 煞車片與煞車碟盤之間的摩擦會將動能轉化為熱能，甚至可能會產生聲音能量（煞車尖叫聲）😖
- 轉子及其周圍的空氣會散發熱量。
這是一個精確的能量轉換過程：運動（動能）>摩擦力>熱（熱能）>自行車停止。
摩擦力過小會導致煞車效果不佳。
過熱會導致煞車性能下降、煞車片表面硬化，甚至煞車碟盤變形！
這就是為什麼煞車片的設計重點在於控制摩擦和熱量，而不僅僅是產生摩擦和熱量。
2.摩擦力：制動力的基礎
煞車片透過兩種摩擦力使自行車停止：
黏附摩擦
當煞車片壓在旋轉的煞車盤上時，摩擦和熱量會將一層煞車來令片材料轉移到煞車盤上。這稱為轉移層——想像一下汽車燒胎或漂移時路面的情況。
正是因為有這個轉移層，所以正確磨合碟片才如此重要！每個騎碟煞車的車友都能體會到，碟煞在磨合完成前煞車力道有多麼弱。
煞車時，此轉移層會瞬間黏合並制動，使自行車減速，與我們將要介紹的另一種摩擦類型（磨蝕摩擦）相比，這種摩擦的破壞性要小得多。
磨粒摩擦
這是煞車片表面與煞車碟盤有輕微摩擦時所產生的現象。每次摩擦都會去除一層極薄的材料，並將能量轉化為熱。這會導致煞車片磨損加快和煞車碟盤損壞，但這是煞車過程中不可避免的代價！能量總要釋放出去…
3. 熱力：隱藏的敵人
緊急煞車時，煞車片與煞車碟盤接觸處的溫度可高達 250 °C ！
例子：
一個體重 75 公斤的騎手加上一輛 9 公斤重的自行車，以 40 公里/小時的速度行駛，大約擁有 5185 焦耳的動能。如果以 40 公里/小時的速度用力煞車至完全停止，兩個煞車碟盤的溫度會升高約47攝氏度。這是使用基本傳熱方程式計算得出的。
ΔT =Q/( m × c) ， 在哪裡：
- Q是熱能（動能為 5185J），
- m是轉子的質量（假設為 110 克），
- c是轉子材料的比熱容（假設為不銹鋼）。
我們還假設制動力最終分配到兩個相同的轉子上，並且空氣和轉子系統之間沒有熱傳遞。
換個角度來說，假設我們在與之前相同的條件下以50 公里/小時的速度煞車，那麼單一煞車碟盤的溫度將上升到攝氏88度！請記住，這還沒有考慮環境溫度。
我們可以看到，煞車碟盤和煞車片必須承受多大的衝擊，尤其是在長距離快速下坡或像電動自行車這樣的較重系統中。
當然，煞車片和煞車盤需要妥善散熱。否則，就會出現問題：
- 煞車衰減：煞車片過熱時，摩擦力會降低，導致煞車力道突然下降。這就是為什麼像禧瑪諾這樣的煞車片製造商會在煞車片背面添加散熱片的原因。
- 表面硬化：這是指墊子略微融化、變硬並變得光滑——從而降低摩擦力。
- 轉子變形：熱膨脹不均勻導致轉子彎曲，進而造成脈衝或摩擦。
如果你曾經看過鋼製轉子變成黃色/棕色/紫色/藍色，這表示鋼材已經開始氧化，溫度遠超 200 °C。
4. 平衡所有要素：熱、牽引力、控制
從實際角度來看，摩擦力和散熱性能共同決定了自行車煞車系統的性能。但就像汽車一樣，自行車煞車也無法產生無限的煞車力，也無法永遠承受極端溫度。
即使是最好的煞車片和煞車盤也有極限。過度使用會導致過熱、表面硬化或性能衰減。但還有另一個極限：牽引力。
無論你的煞車有多強勁，其煞車效果都取決於輪胎與路面或越野路面的抓地力。如果制動力超過輪胎的抓地力，輪胎就會打滑或失去抓地力，從而降低車輛控制力並增加煞車距離。
這就是為什麼好的煞車系統不僅關乎強大的煞車力，更重要的是以下幾點之間的平衡：
- 產生足夠的摩擦力，以便快速安全地停止。
- 控制溫度，使煞車性能保持穩定，
- 將動力與輪胎的抓地力相匹配。
從設計角度來看，現代自行車煞車的核心就在於這種權衡。其目標是在不犧牲操控性和穩定性的前提下，無論路況如何——乾燥的瀝青路面、鬆散的碎石路面還是濕滑的下坡路段——都能提供最佳的煞車性能。
5. 煞車片材料
考慮到人們和自行車可能會遇到的各種情況，製造商們創造了一系列採用不同化合物配製的煞車片，每種煞車片都比其他煞車片更適合特定的騎乘特性。
煞車片配方可以使用種類繁多的化合物，因此每個煞車片製造商都會對其獨特的配方嚴加保密！
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6. 結語
煞車不僅僅是力的問題——它還關乎控制、穩定性以及信心。每一次平穩的煞車背後，都蘊含著物理學和材料設計的完美平衡。
每次騎乘時，煞車片都負責維持這種平衡。因此，當需要更換煞車片時，請選擇真正採用科學技術設計的煞車片。因為在煞車性能方面，你需要值得信賴的煞車。
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提姆