Для мого друга McSeem. попросив розповісти цікаве про шини.
Матеріал довгий і можливо нудний, але кому цікаво, наберіться терпіння.
Отже, від чого залежить зчеплення шин з дорогою?
Частина 1
Сила тертя спокою: закон Амонтона-Кулона
Повернемося до шкільної фізики. Нагадаю, шкільна фізика і класична механіка досить точно описують повсякденні явища. Поки мова не заходить про дуже маленьких масштабах або релятивістському швидкостях, класична механіка відмінно працює. Більш того, в які б наукові праці про зчепленні шин з дорогою я не заглядав, я бачив в них багато страшних зубодробящіх формул, інтегралів, рядів, але в кінці кінців все зводилося до однієї простої шкільної формулою, яка називається законом Амонтона-Кулона:
де μ - коефіцієнт зчеплення, N - сила, що притискають одне тіло до іншого (в даному випадку, вага шини плюс вага частини автомобіля, що припадає на цю шину), m - маса тіла (шини і частини автомобіля, що припадає на цю шину), g - прискорення вільного падіння.
Тобто сила тертя пропорційна силі, притискає одне тіло до іншого, і коефіцієнту тертя. У найпростішому випадку ця сила - вага і являє собою силу тяжіння, тобто добуток маси тіла на прискорення вільного падіння. І тоді сила тертя спокою пропорційна коефіцієнту тертя, масі тіла і прискорення вільного падіння.
Сила тертя спокою - вона ж сила зчеплення
Автомобіль рухається завдяки силі тертя спокою в області контакту шини з дорожнім полотном, а не силі тертя кочення, як іноді думають. Сила тертя кочення - наслідок деформації шини. Вона навпаки гальмує рух автомобіля. А пляма контакту шини з дорогою покоїться щодо дороги в разі кочення шини. Звичайно, під час кочення в плямі контакту завжди присутні елементи протектора, прослизають щодо дороги, але в разі рівномірного прямолінійного руху автомобіля в першому наближенні їх можна не враховувати і вважати силу тертя силою тертя спокою або ще її називають силою зчеплення шини з дорогою, а коефіцієнт тертя спокою - коефіцієнтом зчеплення. При гальмуванні велика частина елементів протектора може ковзати уздовж дорожнього полотна. В цьому випадку обертання колеса (і отже автомобіль) гальмується силою тертя ковзання. Варто відзначити, що зазвичай сила тертя ковзання менше сили тертя спокою.
Перерозподіл ваги авто між шинами і зчеплення з дорогою
Тепер розберемо, що є що у формулі Амонтона-Кулона. Прискорення вільного падіння постійно, його з обговорення виключаємо. Маса в цілому теж постійна. Звичайно, вага автомобіля розподілений між 4 шинами, і при зміні швидкості і / або траєкторії руху розподіл ваги може істотно змінюватися: якісь шини розвантажуються, а якісь навантажуються додатково.
Перерозподіл ваги автомобіля між шинами теж побічно впливає на їх зчеплення з дорогою. Скажімо, при гальмуванні вага машини частково зміщується з задньої осі на передню, отже, сила притиснення задніх шин до дороги зменшується і тому сила їх зчеплення з дорогою погіршується. Це підвищує ймовірність занесення автомобіля, але на гальмівний шлях не впливає, тому що сила зчеплення передніх коліс з дорогою збільшується через перерозподіленої навантаження. Якщо на одних і тих же шинах будуть гальмувати Porsche 911 і Porsche Cayenne, у останнього внаслідок більшої висоти зміщення ваги з задніх шин на передні буде в більшій мірі, і Cayenne більше ризикує потрапити в занос. Але гальмівний шлях від цього менше не стане. Те, що Cayenne важче - теж не впливає, про це є
Повертати Cayenne буде звичайно ж гірше 911-го і на менших швидкостях - якраз через більш високого центру тяжіння і більшого зміщення ваги і великих кренів.
Крім того, на перерозподіл ваги впливає манера водіння. При акуратному водінні, коли водій уникає різких поворотів, перестроювань, прискорень і гальмувань (читай, чим менше натиснута педаль гальма або чим на менший кут повертається кермо), запас зчеплення шин з дорогою максимальний, тобто шини знаходяться «максимально далеко» від переходу в стан повного ковзання і, як наслідок, керування автомобілем максимально безпечно. По-друге, один і той же переміщення педалей або керма можна зробити по-різному: швидко, різко або по наростаючій, прогресивно. Різке натискання на педаль або поворот керма призведе до відповідного різкого перерозподілу ваги з одних шин на інші, і це загрожує їх зривом в ковзання і сходом з траєкторії руху. Поступове ж вплив на органи управління призводить до настільки ж плавному перерозподілу ваги, що дозволяє шинам чіплятися за дорогу без ризику ковзання і втрати керованості або стійкості автомобіля.
Тепер поговоримо про те, що в самій шині впливає на її зчеплення.
Коефіцієнт зчеплення шини з дорогою
Залишається останній параметр у формулі сили тертя Амонтона-Кулона - коефіцієнт зчеплення μ, який, в першу чергу, залежить від природи дотичних поверхонь. Самий показовий приклад - зчеплення гуми з асфальтом куди краще, ніж тієї ж гуми зі снігом і тим більше льодом, незважаючи на різні механізми тертя між шиною і цими трьома покриттями. А при одному і тому ж дорожньому покритті коефіцієнт зчеплення буде залежати вже від складу гуми і конструкції протектора. Наприклад, на зимових шинах автомобіль куди краще тримає слизьку дорогу, ніж на літніх. І головна відмінність зимових і літніх шин - саме різний склад гуми і конструкція протектора.
А якщо ви коли-небудь дивилися по телевізору Формулу 1, напевно чули про різні типи шин і різних складах: «м'який склад, сверхмягкого склад, жорсткий склад». Саме це і робить ключовий вплив на коефіцієнт зчеплення, навіть у Формулі 1.
Так що ж, все? Більше нічого не впливає? І що, цей коефіцієнт зчеплення постійний? Впливає, і саме тому, що коефіцієнт зчеплення не є постійним і залежить від деяких факторів. Але для початку розповім про горезвісну площі плями контакту.
Чи впливає площа плями контакту на зчеплення шини з дорогою?
Про всяк випадок нагадаю, що таке пляма контакту. При контакті з плоским дорожнім покриттям ВСЯ шина деформується, мне і стаючи плоскою в зоні контакту. Цю зону і називають плямою контакту. Пляма контакту має площу, приблизно рівну розміру долоні. Обивателі часто думають, що чим більше площа плями контакту, тим краще зчеплення шини з дорогою. І ще багато хто думає, що чим ширше шина, тим більше площа плями контакту. А отже, думають, що чим ширше шина, тим краще її зчеплення з дорогою. Нижче я розповім про все це по порядку.
Як видно з формули Амонтона-Кулона, площа плями контакту в силу тертя не входить. Чому? Адже, здавалося б, чим більше площа, тим більше елементів шини бере участь в зачепленні і тим більше сила тертя. З одного боку - так, а з іншого - чим більше площа зіткнення, тим менше тиск шини на дорогу. Виходить баш на баш, і площа не має ніякого значення. Тепер поясню те ж саме на мові фізики.
Щоб було зрозуміліше, куди ж поділася площа, можна формулу Амонтона-Кулона (1) переписати інакше, з урахуванням площі плями контакту і відобразити вплив плями на тиск. Все просто: тиск тіла на опору або, в нашому випадку, шини на асфальт дорівнює вазі тіла (шини), поділеній на площу контакту:
де P - тиск шини на дорогу, N = mg - все той же вага шини.
Тоді звідси можна висловити вага через тиск:
аквапланування
У разі мокрої дороги дощові канавки в протекторі шини при збільшенні швидкості встигають відводити все менше води із зони контакту. Тому чим більше швидкість, тим більше води накопичується в зоні контакту і тим менше коефіцієнт зчеплення. Зрештою може наступити момент, коли шина повністю втратить контакт з дорогою і спливає, а автомобіль втратить керованість. Це явище називається акваплануванням. Критична швидкість, при якій зазвичай виникає аквапланування - близько 90 км / ч, а товщина водяної плівки - кілька сантиметрів. Як правило, аквапланування виникає під час дощу при русі в асфальтової колії. При більшій товщині водяної плівки аквапланування не виникає, тому що створюється сильний опір коченню шин, яке швидко гасить швидкість, і до критичної швидкості машина не може розігнатися. Якщо ж товщина водяної плівки невелика, скажімо, пара міліметрів, аквапланування взагалі не буде. Просто коефіцієнт зчеплення з дорогою трохи зменшиться, наприклад, з 0,8 на сухій дорозі до 0,6 на вологій.
При цьому чим ширше профіль шини, тим при меншій швидкості настає аквапланування. Ну і тип протектора теж до цього причетний. Шина без малюнка - слик - спливе раніше інших, шина зі звичайним асфальтовим протектором і малюнком - трохи пізніше, а шина зі спеціальним дощовим протектором - протримається найдовше.
Так що широка шина хоч і хороша для сухого асфальту, але вразлива на відверто мокрій поверхні дороги.
Чиновник їсть м'ясо, а я капусту. В середньому ми їмо голубці.