夏天自行车爆胎原理（如果自行车轮胎里充上氮气）

认真阅读，你还能了解到烈日下使轮胎爆胎的真正元凶是谁。

处于安全和维护的原因，在飞机和赛车上会选择用氮气来给轮胎充气或者有时候也会用于液压系统的压缩和膨胀气体。

那么，对于自行车来说，使用不同类型的气体而不是空气来为我们的轮胎充气，会不会提供好处吗？

实际上，除了普通的空气外，只有少量的气体是可以用来给轮胎充气的。下边让我们来看看是为什么。

氦气在轮胎中起的作用并没有像你希望的那么多

如果你还能背下来元素周期表的前几个，那么你应该会知道，氢和氦是目前已知的最轻的原子，在自然界中发现的最小的双原子分子是氢气（H2）。其他双原子分子还有氧（O2），一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO）。我们呼吸的空气中大约含有78%的氮和21%的氧，剩下的为氩气和其他少量气体。

在这这种情况下，氢气和氦气由于其最轻的特性，特别是氢气，感觉应该是我们潜在的选择对象。

但是，现实情况是，在给轮胎里充上氢气的情况下，氢气会比空气在轮胎中的泄漏速度快的多。这并不是因为氢原子是最小最轻，而更容易从丁基化合物（内胎的主要成分）中渗透出来。而是因为氢气比其他的气体更容易混合到内胎的管壁中并扩散出去。事实上，如果你无法轻易获得用氢气或者氦气来给轮胎充气，那么这些气体会在你不断地补充过程中，从你的轮胎里消失殆尽。

为了证明确实和分子大小无关，我们来看看co2（二氧化碳），这也是一种常用的气体，比如我们的二氧化碳气瓶。

虽然他具有更高的分子量和尺寸，但是已经确实证明，他也会因为和丁基橡胶有更高的溶解度，而比那些比它小的分子更容易泄漏。因此，用二氧化碳给轮胎充气也会比常规空气维持的时间更短。

氮气是否才是最好的替代品？

氮气最常用于飞机和赛车的轮胎充气，因为它比空气更加干燥。由于在这种极端使用环境下，即使空气中的一些游离水分子也足以在使用中带来一定的危险了。

其次，氮的化学稳定性更好。尽管氮气不是绝对意义上的惰性气体，但是它被认为是最不容易和其他化学元素发生反应的元素，而空气中含有的氧气就很活泼。

下边，让我们在极端条件下来评价一下轮胎可能发生的状况，来看看在自行车轮胎中充入氮气是否有必要。

l 压力随着温度变化而变化

常规空气的体积会随着热量和压力而变化。在空气中会含有一定量的蒸汽状态的水（以气体和液体两种状态存在）。当温度升高时，水分变成气体蒸汽，这会在某一点上导致气体容量急剧增加。这种变化是建立在在气体正常膨胀率的基础上的，一种需要压力稳定的不良现象。（烈日下爆胎就是此原因）。

空气中的游离水分子

如果在赛车上使用普通空气，那么主要问题就是如何让水分在轮胎中保持稳定。而通过使用干燥空气，可以解决赛车轮胎中的大多数轮胎性能和安全问题，因为基本轮胎内不存在水。据报道，一级方式比赛中给轮胎充气，只会使用带有水提取器的压缩机。

别紧张，上图的火灾时由燃料管线损坏引起的

在轮胎和地面摩擦的极端状态下，第一优选的是氮气。氮气在美国纳斯卡汽车赛上非常的受欢迎，因为普通空气中的水蒸气膨胀和氧气易和高温橡胶化合物发生反应的情况都可以避免，可以有效的防止爆胎。

而当轮胎里被充入大量的空气时（胎压更高），也就意味着空气中的游离水会因为温度变化而对胎压的影响更大。比如在飞机上就是如此。常规情况下，飞机的胎压会在170-210Psi，大量的空气被压缩在狭小的空间内，这种变化会更加的明显。

自行车轮胎不像骑车轮胎那样容易因为摩擦升温。对于自行车轮胎而言，气体的体积通常很小而压力则比较高。其中的即使含有游离的水分子也不会引起剧烈的变化，在通常的使用环境下，内部的温度已经很低了，这不会引起膨胀。

而常见的烈日照射下的爆胎，通常是由于压力不在安全范围内所导致，并通常出现在过去的老式或者通勤车上，因为对于胎压的判断往往是不够准确的（曾有车友误以为某品牌管胎胎压可以打到210，实际最高140，即使这种情况下，也使用了非常久的时间才出现爆胎）。另一种情况就是老式的内胎容易因为气嘴密封性差而导致进水。这才是主要原因。

在正常范围内，即使是在炎热状态下使用自行车长时间高速下坡，由于温度变化所引起的胎压变化也是非常微小的。

易燃

飞机在起飞和降落时，轮胎的温度和压力会发生剧烈变化。这会增加轮胎的温度和轮胎内水蒸气含量的变化，其中还会伴随着其他橡胶蒸汽和金属元素等，当有足够的氧气时，就会发生爆炸性膨胀。加上橡胶化合物是高度依然品。所以在这种状况下，使用氮气则会更加保险、安全。并且大量氮气还可以阻断燃烧。

轮胎的寿命

如果气体不够干燥，空气中含有的水就会和氧气一起加速氧化反应。而氮气可以防止部件从内部生锈，因为没有氧气可以和其他元素发生化学反应，而氮气也可以通过带有水提取器压缩机保持干燥。

比如在液压预充系统，灭火器中使用惰性气体就很重要。

这里不讨论免充气轮胎

另外需要注意的是，轮胎内的氧化反应是一个很长期的过程，考虑到自行车和普通汽车轮胎的使用环境和更换频率，其实这点也是可以忽略的。

胎压维持

在开头我们提到了两个例子，最小分子的氢气和更大分子的二氧化碳都无法维持长时间的胎压稳定，那么氮气能否保持更持久呢？

实际上，在文章开头我们已经说了，空气本身是由78%的氮气构成的，所以，没有人认为剩下的22%的氧气和其他气体会带来显著的差异。

而且氮原子也比氧原子更小，更轻，在轮胎内部保持的时间也更长，（也有另一种结果是氧气分子的半径小于氮气分子，不过也有另一种说法是由于氮分子之间的电子键比氧分子多，所以分子半径也更小，这里就不多做讨论了，大家可以下边自行研究）。这和学多汽车维修厂的认为的理论不同，他们声称氮原子的体积更大，才是保持轮胎可以保持更长时间胎压的原因。

而分子的半径更大，并不是导致氮气更不容漏气的原因（注意两者的半径计量单位是纳米），而是由于它不太容易和橡胶化合物反应并渗透。所以溶解度越差，气体保持的时间也会越久，加上空气中更多的气体就是氮气，所以结果可想而知。

一般情况下如果给轮胎充氮气，最多可延长10%--20%的充气时间。据说通过把轮胎内的普通空气更换为氮气，可以让胎压维持更久，进而可以让轮胎磨损更加均匀，并可以有更高效的动力转化率。

不过这可能需要在更高的温度和更高的压力下才会有显著效果。就目前来看，没有任何研究表明在日常使用状态下，给轮胎充氮气会比充空气有显著的燃油经济性，不过如果很便宜，当然是可以考虑的。

重量

氧气的重量为32g/mol，氮气重量为28g/mol。由于空气中氮气含量约为78%，所以平均重量为28.9g/摩尔，这意味着和空气相比，你可以节约3%的重量，前后轮胎约可以减少1g。而理论上如果使用氢气和氦气的话，最终可以减少18g，不过不幸的是就想文章开头提到的，这两种气体都没有办法维持轮胎压力。

所以，对于自行车而言，氮气？还是呵呵一笑而过吧。试想一下，如果你的轮胎里每次都是氧气渗透的更快的话，那么在经过十到二十次的补充气体后，是不是轮胎内的氮气含量就会更高了呢？想一下，究竟有没有这种可能？

好了，今天的内容就到这里了，我们下期节目再见，单车基械匠，每天给您带来更多新奇，好玩，有趣，实用的单车知识。

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