《力学园地》编辑部：

我是一名小学生的爷爷。有一天带孙子乘坐桥车外出游玩时，他指着车窗问我：“爷爷，这玻璃边边上为啥有个黑圈？旁边还有几排小黑点点？我一时竟然语塞，答不上来了。所以希望你们能够帮助我了解其中的道理。

一名小学生的爷爷

2025年2月25日

汽车车窗边缘的黑色小圆点有什么用处？

萤火 怡心

当你坐在汽车里，欣赏外面的风景时，是否注意过汽车前挡风玻璃上那一圈黑色的圆点？这些圆点看似不起眼，却在汽车设计和功能中扮演着重要的角色。它们不仅仅是装饰，还有许多实用的功能。其实，除了前挡风玻璃，在公交车的一些侧窗上，你也会发现类似的小黑点。这样，我们今天就来讲一讲，汽车车窗玻璃边缘的这些黑点究竟有什么用处？

图1 汽车前挡风玻璃上的小黑点（图片来源：网络）

1.车窗上的黑点是什么？

一些乘客在旅途中闲来无事时，或许会触摸这些不起眼的小黑点，它们的表面触感平滑。但在有些车辆上，你甚至可以感受到小黑点是轻微凸起的，但它们却牢固地附着在玻璃上，难以剥离下来。除了这些小黑点，车窗边缘还环绕着一圈黑色边框。这圈边框，被称为装饰边，而那些小黑点被称为花点，它们由类似陶瓷的材料制成，通过丝网印刷和高温烧结工艺，与玻璃紧密结合。在讲小黑点的作用之前，我们先来了解一下这些黑边的作用。

图2 小黑点和它下面的黑边（图片来源：网络）

在老电影和老照片中，我们可以看到早期汽车的挡风玻璃并没有使用黑色边框，而是采用了金属边框，因为那个时代的汽车挡风玻璃通常都是平面形状。大约在20世纪50至60年代，汽车开始出现了弯曲设计的挡风玻璃。相应于这一变化，挡风玻璃的固定方式也发生了转变：由使用金属部件固定逐渐过渡到使用胶水进行固定和密封。

图3 早期的汽车挡风玻璃是平面形状的（图片来源：网络）

然而，这种转变也带来了一些挑战：首先，如何确保玻璃能够牢固地粘附在车身上？其次，如何保证胶水的长期稳定和耐用？黑色边框便可以完美地解决这些问题。因为光滑的玻璃表面不利于胶水的粘附，而黑色边框的粗糙质地则为胶水提供了更好的附着力。此外，许多有机材料，包括常用的聚氨酯密封胶，在紫外线的照射下都很容易受到损伤，黑色边框在这里发挥了防晒的作用。同时，它还巧妙地遮挡了固定玻璃的胶水，避免了胶水直接暴露在视线中，从而提升了汽车的整体美观度。在图4中，我们可以看到没有装饰黑边时固定玻璃所涂抹的胶水，是不是很难看？

图4 车窗下的粘合剂示意图（图片来源：网络）

2.挡风玻璃为什么要采用弯曲设计？

    这和汽车的流线型设计密切相关。图3中所示的早期汽车各个部分的形状都是方方正正的，棱角分明。这样它们在行驶过程中受到的空气阻力就相当大。一般而言，物体在流体中运动时所受的阻力，是由内摩擦和涡旋产生两个因素造成的。在速度较小时，阻力的大小主要决定于内摩擦。在速度较大时主要决定于涡旋，速度越快，涡旋的作用越大。

     流体力学告诉我们：空气具有粘滞性。这具体表现为贴附在物体表面的一层空气相对于物体静止，随着远离物体表面，空气的速度逐渐增加到主流区数值。这层紧贴物体表面而且速度发生明显变化的区域，在力学上称为“附面层”或者“边界层”（参见图5所示）。在图5中，设定物体速度为零，因而壁面处气体速度为零。对于运动中的汽车，壁面处空气的速度和汽车运行速度相同，而边界层外缘处的空气速度为零。由于边界层内的空气受到粘滞作用力而被物体牵动，按照牛顿第三定律，边界层对物体施以反作用力，此反作用力与物体运动速度方向相反。这个反作用力阻碍汽车的运动，故称为“摩擦阻力”。流体力学研究给出：摩擦阻力的大小与物体相对于空气速度的平方以及表面积成正比。

图5 边界层速度剖面示意（图片来源：网络）

汽车在运动中受到的另一种阻力是“压差阻力”。直观的理解就是如果前方空气产生的压力大于后方空气产生的压力，二者的压力差也会阻碍汽车的向前。根据流体力学的一个基本原理——伯努利定理，我们知道：在一个流管中，气流压强和气流速度是相关联的，速度越大压强越小。这样，在汽车的正前方，气流速度最小，压强最大；随后在汽车顶部气流速度逐渐加大，压强逐渐减小，直到压强等于大气压，甚至低于大气压；再往后到达汽车尾部，气流速度又逐渐减小，使压强回升（参见图6）。

图6 运动的汽车承受的空气压力示意（图片来源：网络）

如果汽车外型设计适宜，使附面层气流能完全贴着汽车表面流向后方，流速随之降低，压强随之加大，有可能使汽车后半段所受气流向前压力抵消前半段所受气流向后压力，从而压差阻力几乎降低为零。然而，事实上，附面层气流并不会完全贴着汽车表面流向后方的，它可能与物体分离（参见图7）。边界层分离之后，它将从紧靠物体表面的地方抬起进入主流，与主流发生掺混。一般情况下，分离区的流动中还会出现各种尺度的旋涡，分离的气流速度不再降低， 压强也不再升高，从而导致压差阻力增大。流线型汽车的表面气流无明显分离，故压差阻力最小。

图7 物体表面边界层分离现象（图片来源：网络）

流线型是表面处气流没有明显分离的物体形状。近代轿车车型都设计为流线型，它们的外形特点是前圆后尖、表面光滑，迎风横截面积要尽量小，车灯、后视镜、门把手以及车窗等装置要和车身浑然一体。流线型汽车在气流中的阻力可降低到一般车型的60%。采用流线型设计的汽车可节省大量燃油，因为汽车在行驶中大部分燃油用于克服各种阻力。现代汽车的挡风玻璃采用弯曲设计，也是流线型外形的重要构成。

3.挡风玻璃上的这些黑点，是做什么用的？

前面讲到了挡风玻璃的弯曲设计导致了装饰黑边的出现，那么，有人可能会好奇，既然黑边已经具备了必要的功能，为何还要在内侧设计那些小黑点呢？

由于汽车的玻璃车窗总是要和周围车身的金属结构紧密相连的，它们之间热性能的不同会产生一些负面效果。在描述材料的热力学性质中，比热容（简称“比热”）是一个重要的参数，它的定义是单位质量的物质升高或降低单位温度所吸收或放出的热量。在日光照射下，金属框架和车窗玻璃从太阳那里接收到同等数量的热量，由于比热容的不同，二者的温升不同。车窗玻璃的温升低于金属框架，因为玻璃的比热容为790 J/（kg·℃），而钢铁的比热容为460 J/（kg·℃）。当然，由于热传导的作用，车窗玻璃的边缘处温度和金属框架较为接近，这样就导致了车窗玻璃中心区域的温度低于边缘区域的温度，从而形成了玻璃内部的温度梯度。力学知识告诉我们：温度梯度会导致材料内部应力的产生。

此外，由于物体在受热时会发生膨胀，玻璃和金属框在温度上升时都会相应地膨胀。但是二者的热膨胀程度不同，因为汽车车窗玻璃的线膨胀系数为3.3×10^-6/℃，而钢铁的线膨胀系数为1.2×10^-5/℃。这里，材料的线（体）膨胀系数的定义为：温度升高1 ℃时，物体的长度（体积）的相对增加量。玻璃和金属的线膨胀系数相差大约一个数量级，玻璃的膨胀程度远远不及金属框。所以，在与金属框接触的区域里，玻璃不仅要应对自身的热膨胀，还要受到金属框膨胀的拉扯，这种双重作用又进一步增大了玻璃内部的应力。当玻璃内部的相互作用力达到一定程度时，便可能会导致玻璃自爆。

图8 玻璃自爆现象（图片来源：网络）

为了防止这种情况，技术人员在车窗边缘设计了这层黑色的小点。由于黑色具有较高的吸热能力，因此在阳光直射下，含有较多黑色元素的部位温度会相对较高。车窗边缘的这些黑点大小不一，密度分布也不同，越靠近玻璃边缘的黑点越大，吸热也越多；而越靠近玻璃中心的黑点则越小，吸热越少。通过这种设计，车窗内部的温度分布变得更加均匀，内应力的作用范围也随之扩大，其产生的应力效应相应减弱。这样的过渡层有助于减少因温度差异引起的内应力集中，从而降低玻璃自爆的风险。

4.小黑点还能避免视觉畸变

小黑点除了能够降低玻璃自爆的风险之外，还能够避免视觉畸变。当人们的目光投向车窗的边框，会发现那些渐变的圆点或网状图案在视觉上起到了柔和的过渡作用，使得黑色的边框不会显得过于生硬。而在人们视线不及之处，这些图案正无声地守护着驾驶员和乘客的安全。

这事还得从汽车的前挡风玻璃的制造说起，汽车的前挡风玻璃通常具有特定的弧度，这是在超过700℃的高温下通过塑形工艺实现的。在玻璃塑形的过程中，黑色边框由于其材质特性，升温速度较快，而玻璃的升温速度则相对较慢。这种黑边与玻璃之间的温差可能会导致玻璃的光学特性发生改变，进而引起视觉畸变，这便会对驾驶员的视线造成干扰，增加行车风险。

图9 汽车挡风玻璃塑形过程（图片来源：网络）

为了解决这个问题，技术人员在黑边与玻璃的过渡区域设计了渐变的花点图案。这些图案有助于热量更均匀地向玻璃中心传导，从而减少因温差引起的视觉畸变，确保驾驶员的视线清晰，提高行车安全。通过这种巧妙的设计，车窗边框不仅在视觉上更加和谐，更在功能上发挥了重要作用。

总之，由于装饰边和花点的设计，既安装简便、密封可靠，还可以避免自爆，更有视觉优势，所以得到了越来越广泛的应用。除了弧形前挡风玻璃，现在许多大型客车（如公交汽车）的平面形车门、车窗也纷纷设计采用装饰边和花点（参见图10）。

图10 运营中公交车的车门玻璃（左）和车窗玻璃（右）（图片来源：作者自摄）

最后，我们想以这样一句话来结束我们的文字：我们生活中处处都有科技存在，像装饰边、小花点这样的小设计，也蕴藏着大智慧！

参考文献

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/PGkstwXbcNiuvbo1z4UIaw

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/jegz3KIOFFzUS0rLJji6Eg

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/nul136lzCC0jUxuYdNcbvg

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/6uAWKteC9lZ6MnA-nr17Mg

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/GFkTkPgTG3_-3outUVoWRA