Сцепление с дорогой это

Содержание

Добрый день, дамы и господа.Нашел очень интересную статью о сцеплении с дорогой и с чем это едят.Сам в этом чайник, потому и написана статья не мной…

Сцепление шины с дорогой не зависит от площади пятна контакта?

В прошлом выпуске я написал о размерах шин, терминологии и некоторых заблуждениях, связанных с шинами. Обсудим теперь, что есть что в размерах шины, и перейдем к следующей порции заблуждений.

Ширина профиля. Площадь пятна контакта

Шина под действием силы тяжести автомобиля деформируется, образуя так называемое пятно контакта. Пример из жизни: если сидящий в автобусе ребенок прислонится носом к окну, то папа с мамой с улицы увидят смешной «пятак» на кончике носа :). Это и есть пятно контакта. Аналогичная картина и с шиной, которая прижимается к дороге.

Среди автолюбителей принято считать, что чем шире шина, тем больше площадь пятна контакта шины с дорогой и тем лучше сцепление с дорогой. И, якобы, тем короче тормозной путь, тем лучше маневренность и управляемость машины. А еще иногда думают, что если машина тормозит не прямо, а боком, то тормозной путь будет короче, потому что шире пятно контакта. Это не так.

Сразу приведу доказательства из физики.

Здесь S – тормозной путь, v – скорость движения машины, µ — коэффициент трения шины о дорогу, g – ускорение свободного падения.

Как видно, тормозной путь не зависит от ширины профиля шины и площади пятна контакта шины с дорогой. В этой формуле есть единственный «представитель» от шины – это коэффициент трения, который зависит от природы соприкасающихся тел. В данном случае – от типа дорожного покрытия и от химического состава резиновой смеси протектора шины. Соответственно, и сцепление шины с дорогой зависит от состава резиновой смеси протектора. Поговорим.

Почему же пятно контакта не влияет на силу сцепления?

Очень просто. С одной стороны, чем больше его площадь, тем большим числом «щупальцев» шина цепляется за дорогу. Этот факт лежит на поверхности, и люди охотно думают, что сцепление пропорционально ширине шины. Но есть и другая сторона медали, о которой многие забывают: от размера пятна контакта напрямую зависит вес шины, приходящийся на единицу площади, то есть давление, которое она оказывает своим весом на дорогу. Чем больше площадь контакта, тем меньше давление шины на дорогу. Прошу вас не путать давление шины на дорогу с давлением воздуха в шине 🙂

Два примера из жизни

Что такое тупой нож и острый нож? Тупой – у которого лезвие толще, а острый – у которого тоньше. Разница всего лишь в давлении, которое нож оказывает, например, на хлеб. Тоньше (т.е. меньше площадь контакта ножа с хлебом) – больше давление, лучше режет, толще – хуже.

Предположим, рыбаку нужно перейти замерзший пруд с тонким льдом. Какие лыжи нужно надеть? Беговые – с шириной около 5 см, или охотничьи – с шириной порядка 30 см? Конечно, охотничьи. Потому что они шире, на них будет меньше давление на лед и ниже вероятность провалиться.

По этой причине, кстати, зимние шины всегда уже летних – чтобы увеличить давление на дорогу и лучше «вгрызаться» в снежно-ледяную корку.

В итоге, если мы увеличиваем площадь пятна контакта (т.е. вместо 205-й шины ставим 255), то мы уменьшаем давление на дорогу. Получается, во сколько раз мы увеличиваем площадь сцепления с дорогой, ровно во столько же раз мы уменьшаем давление на дорогу. Баш на баш – и сцепление не меняется.

Влияет ли на сцепление рисунок протектора?

Как кстати не влияет на сцепление и рисунок протектора. Если вы обратите внимание на гоночные слики, в той же Формуле 1, то они вообще "лысые" и не имеют какого-либо рисунка. Рисунок на летних шинах нужен только для того, чтобы отводить воду из пятна контакта. На сцепление влияет не рисунок, а тип протектора: грязевой, зимний, дождевой, летний. На летних шинах вы увязнете в грязи и снегу, а на грязевых "тракторных" не проедете быстро по извилистой дороге. Но это принципиально разный тип протектора, с разным предназначением.

Возьмите три разных шины Nokian Hakkappeliitta: 4,5 и 7. Рисунок у всех разный, но суть одна, все модели хорошие. Можно также взять топовые зимние шины от разных производителей Nokian, Michelin, Gislaved, Goodyear. У всех рисунки протектора разные, но характеристики схожи. Потому что у всех одинаковое предназначение и зимний тип протектора, имеющий грунтозацепы и ламели, а главное — состав резины. А вот у россиян, не помню точно производителя, есть шина — по рисунку протектора точная копия Goodyear Ultragrip 500. И разница между ними, как между небом и землей, как вы понимаете. Как рисунок не копируй, а без качественного состава резины никуда. И сцепление шины с дорогой зависит не от того, какой рисунок на шине — в ёлочку, полосочку или клеточку, а от состава резиновой смеси.

То есть зимними или летними шины делает тип протектора, а рисунок — единственное, что может "пощупать" покупатель при покупке и что может повлиять на эмоциональное восприятие шины. Конечно, есть любители запаха резины, который стоит в шинных магазинах, но это уже отдельный разговор 🙂

Что говорят о сцеплении законы физики?

Если снова прибегнуть к помощи формул, то сила трения сцепления (она же сила трения покоя) в отсутствии адгезии (эффекта приклеивания соприкасающихся поверхностей) определяется законом Кулона:

где µ — коэффициент сцепления, N — вес тела (шины, в данном случае), m — масса тела (шины), g — ускорение свободного падения.

Как вы понимаете, дорожные шины не приклеиваются к асфальту, поэтому это как раз наш случай. Как видите, площадь пятна контакта в силу трения покоя вклада не вносит, как и в длину тормозного пути.

Чтобы было понятнее, куда же делась площадь, можно закон Кулона переписать иначе, с учетом площади пятна контакта и отразить влияние пятна на давление. Все просто: давление тела на опору или, в нашем случае, шины на асфальт равно весу тела (шины), деленному на площадь контакта:

где P — давление шины на дорогу, N = mg — все тот же вес шины.

Тогда отсюда можно выразить вес через давление:

Теперь, если подставить эту формулу в закон Кулона, получим:

Или, выражаясь человеческим языком, сила сцепления шины с дорогой пропорциональна коэффициенту сцепления, давлению шины на дорогу и площади пятна контакта. Это именно то, как воспринимает силу сцепления большинство людей. Но здесь зарыта собака — в том, что давление напрямую зависит от площади пятна контакта и обратно пропорционально ему. Об этом нам говорит формула (3). Поставляя сюда выражение для давления, получим:

Тогда площадь мы успешно сокращаем и приходим к закону Кулона (2) и силе сцепления, не зависящей от площади пятна контакта.

Шина катится за счет трения качения или… покоя?

Кстати, скажу еще об одном частом заблуждении. Трение бывает разным: трения покоя, качения, скольжения. И часто люди думают, что шина катится за счет трения качения. Не буду углубляться в эти вопросы, напишу кратко. Шина катится за счет трения покоя. То есть во время качения пятно контакта шины с дорогой покоится относительно дороги.

Удивлены? А вы обратите внимание на ноги, обувь идущего человека. Как только человек делает шаг, его ступня останавливается, и он перемещает вес с нее на вторую ногу и делает еще один шаг. Выходит, верхняя часть тела человека движется в то время как одна нога покоится. Аналогично ведет себя шина, только она делает много-много маленьких шажочков, перекатываясь с одного элемента шины на другой, и каждый из них в момент переката покоится относительно дороги. Соответственно, во время качения между шиной и дорогой действует сила трения покоя.

Если же пятно контакта начинает двигаться относительно дороги, то это означает скольжение шины, и здесь трение покоя переходит в трение скольжения.

А трение качения — совершенно иной вид трения, возникающий из-за деформации шины и направленный всегда в сторону против направления качения. Чем больше деформация шины, тем выше трение качения. Поскольку спущенная шина деформируется больше накачанной, то напрашивается простой вывод: следите за давлением в шинах и поддерживайте его, согласно указаниям в руководстве пользователя автомобиля. То есть трение качения — паразитный вид трения, от которого, кстати, зависит расход топлива. Если силу трения покоя шины с дорогой конструкторы пытаются увеличить, то силу трения качения всегда пытаются уменьшить.

Выходит, сцепление шины с дорогой — сила трения покоя, и она не зависит от ширины шины и площади пятна контакта.

В чем практический смысл?

А применить в жизни написанное выше очень просто. Сцепление шины с дорогой — основа безопасного вождения, чем оно выше, тем безопаснее вы можете вести машину. Это ни для кого не секрет. Некоторые водители прохладно относятся к тому, какие шины стоят на их машинах, и думаю, что это неважно. Важно! Чуть ли не самое важное, что есть в машине. Но среди тех водителей, которые ценят безопасность, сцепление с дорогой и шины, встречаются те, которые думают, что они улучшат сцепление, если поставят на свой авто более широкие шины. Или еще часто думают, что можно повысить сцепление, установив шины с более "навороченным" рисунком протектора. Как вы уже поняли, это вещи не связанные.

Конечно, широкие шины важны, ведь для чего-то из производят и устанавливают на машины. А для чего нужны широкие шины — мы обсудим в следующей статье или на курсе MBA для водителя: Мастерство Вождения Автомобиля", но тормозные свойства машины от них не улучшатся.

Кстати, еще задумайтесь над таким фактом: если было все так просто и широкие шины тормозили бы лучше узких, то производител шин могли бы легко решить проблему зимы — делали бы широченными зимние шины, и все дела! Однако этого не происходит и, более того, происходит обратное: зимние шины, как правило, уже летних…

Читайте также:  Не сдал водительское удостоверение после лишения

Итак, чтобы улучшить сцепление шин с дорогой, нужно установить шины, сделанные из резины более высокого качества. Проблема в том, что при покупке шины мы не можем оценить качество состава резины и почти на 100% оцениваем шину визуально — по дизайну протектора, а также по ширине и высоте профиля. На это многие и покупаются…

Как же правильно выбрать шины? К сожалению, четкого ответа на этот вопрос нет. Есть общие соображения, их три.

ориентируйтесь на тесты шин в автомобильных журналах. Это не панацея, но по крайней мере даст вам общее представление о хороших и не очень шинах.
выбирайте шины известных производителей. Идея не решит сразу все вопросы, но шины, скажем, Michelin всегда будут лучше отечественной Камы или корейской Kumho.
выбирайте шины премиум-сегмента или, иначе, с высоким индексом максимальной скорости. У каждого производителя есть шины разного класса, с составом разного качества и с различной силой сцепления с дорогой. Например, у Michelin в линейке есть Economy, Pilot Exalto и Pilot Sport, это, соответственно, шины со средним сцеплением, хорошим и очень хорошим. И по разной цене. Вот и решайте.

Вы также можете заметить, что хорошие дорогие шины часто бывают шире средненьких эконом-класса, а также с более низким профилем. Это не значит, что ширина напрямую влияет на "держак", но ширина профиля важнее для хорошей шины, чем для шины без претензии на скорость. Об этом и о том, для чего нужны низкопрофильные шины — в следующих статьях.

А пока промежуточный вывод: сцепление шины с дорогой не зависит от ширины шины, площади пятна контакта, дизайна протектора, а зависит от состава резиновой смеси протектора.

За счет чего автомобиль держит дорогу? Что такое сцепление с дорогой?

Главное требование для любой машины — это ее способность сцепляться с той поверхностью, по которой она едет. Чем сильнее сцепление, тем лучше и тем безопасней машина ведет себя на поворотах.

Чем выше предел сцепления, тем быстрее едет машина. Однако дело не только в характере езды. Высокий предел сцепления при нормальной скорости позволяет удерживать контроль над автомобилем в непредвиденной ситуации.

Многие водители особо не задумываются о сцеплении, пока не столкнутся с ситуацией, когда хорошее сцепление оказывается крайне важным для движения. Вообще, это интересная тема для обсуждения и мы попытаемся рассказать о ней просто, но с научной точки зрения.


Единственное, что связывает машину с дорогой — это шины. Конечно, если только от машины что-нибудь не отвалится и не будет тащится за ней по дороге.

Поэтому шины крайне важны для сцепления, и этому есть две причины. Во-первых, они сами по себе обеспечивают сцепление с дорогой. Во-вторых, от них зависят все остальные части машины, которые влияют на сцепление. Главное, чтобы на шины не была наложена чрезмерная нагрузка.

Необходимо соблюдать баланс. Самые лучшие шины не должны хорошо сцепляться с дорогой, если другие части машины не позволяют им этого сделать. С другой стороны, даже если машина идеально отлажена, она не сможет обеспечить хорошее сцепление с дорогой, если шины не справляются со своей функцией.

ТИПЫ ШИН


Разным машинам нужны разные шины. Разработать универсальные шины для современных дорог очень сложно, потому что они должны будут обеспечить отличное сцепление и с сухой, и с мокрой дорогой, экономить топливо и контролировать выброс CO2, а также не быть слишком шумными.

Для внедорожников и раллийных автомобилей нужны шины с особым рисунком, чтобы обеспечивать сцепление с дорогой с поврежденным покрытием. Для снежной погоды нужны узкие шины с высоким профилем.

Хотя сейчас, наоборот, все стремятся купить широкие шины с низким профилем. Именно поэтому рекомендуют иметь два набора шин: летний и зимний. В гоночных автомобилях используются шины без протектора (если позволяют правила) и без рисунка, чтобы обеспечить максимальную область контакта шины с дорожным полотном и свести к минимуму трение. Однако на мокрой трассе эти шины будут бесполезны и их нужно заменить на шины с рисунком.

СОСТАВ ШИН


Если говорить в общем, то чем мягче резина, тем выше сцепление. Это можно сравнить с макаронами: приготовленные макароны хорошо прилепятся к стене, а вот сырые — нет.

Более мягкая резина быстрее подстраивается к окружающей температуре, но может также быстро перегреться. У драгстеров экстремально мягкие шины, но даже самые мощные из них способны только на четырехсекундный заезд, поэтому для обычных машин это даже не обсуждается.

Шины для обычных дорог должны прослужить на несколько тысяч километров, поэтому резина должна быть жестче. Так как обычный автомобиль не ездит при экстремальных условиях, как гоночный, ему не требуется очень сильное сцепление с дорогой.

ПОДВЕСКА


Правильная настройка пружин и стабилизатора важна не только для комфортной езды, но и для хорошего сцепления. До сих пор многие водители не совсем понимают, что чем мягче подвеска, тем выше сцепление. Мягкое движение и хороший крен в повороте обеспечивают меньшее давление на шины, чем, когда машина практически не наклоняется.

Если это действительно так, почему же подвеска современных автомобилей высокого класса такая жесткая? Дело в том, что если уйти дальше от нерабочего положения машины, то меняется геометрия подвески и ее работа становится менее эффективной.

Следовательно, мы стремимся двигаться как можно меньше, а это приводит к дополнительной нагрузке на шины. Решение — заменить шины на другие. Чем более высокое сцепление обеспечивают шины, тем жестче может быть подвеска.

Есть также нюансы с аэродинамикой, мы обсудим это позже. Крылья машин, участвующих в Формуле 1, наиболее эффективны, когда они расположены под особым углом. Достичь такого угла можно только за счет очень жесткой подвески.

АЭРОДИНАМИКА: ФОРМА КУЗОВА


Раньше было обычным делом, когда у машин был более или менее вертикальный нос и длинный плоский капот. Все бы ничего, ведь скорости были не такие высокие. Однако, когда стали выпускать более мощные машины, то такая форма корпуса стала проблемой.

Воздух поднимался вверх после контакта с носом автомобиля, но после этого практически не касался машины, пока не опускался на лобовое стекло. Над капотом образовывалась большая область с низким давлением, и это было настоящей аэродинамической катастрофой, потому что воздуха, который бы давил на капот и не давал машине приподниматься, было недостаточно.

При высоких скоростях это означает, что шины оказывали очень слабое давление на дорогу. В экстремальных ситуациях, шины не обеспечивали нормального сцепления для поворота. Более низкий нос и капот, расположенный под углом у современных машин были разработаны в первую очередь для экономии топлива, но этот подход помог также решить проблему со сцеплением.

АЭРОДИНАМИКА: КРЫЛЬЯ


В 1960-х, представители мотоспорта совершили большой прорыв в аэродинамике, прикрепив к своим автомобилям крылья. Крылья были разработаны таким образом, что под ними воздух проходил быстрее, чем над ними. Быстродвижущийся воздух менее плотный, чем воздух, который движется медленно, поэтому больше давления оказывается на верх, чем на низ автомобиля. Крылья пришлось убрать.

С тех пор как крылья стали частью шасси, то вся машина тоже немного опустилась. Теперь шины имеют большее сцепление с дорогой, потому что на них можно надавить сильнее, прежде чем они начнут скольжение.

Крылья обеспечивают серьезное аэродинамическое сопротивление, но его недостаточно, чтобы нейтрализовать дополнительное сцепление (при условии хорошей конструкции крыльев). Если с гоночной машины убрать крылья, то она будет в разы быстрее на прямой дороге, но замедлит свое движение на поворотах, от чего серьезно пострадает время прохождения гоночного круга.

Крылья современных автомобилей Формулы 1 имеют очень сложную конструкцию и совершенно непрактичны для использования на дороге. Однако можно нередко увидеть более простые варианты крыльев на мощных машинах и даже на горячих хэтчбеках.

АЭРОДИНАМИКА: ОСНОВАНИЕ КУЗОВА


Следующим шагом в совершенствовании аэродинамики автомобилей Формулы 1 стала переделка основания кузова в одно большое крыло и добавление «юбки», чтобы не выпускать воздух со боковых сторон.

Однако вскоре это было запрещено правилами гонок, так как машины достигали пугающих скоростей. Сегодня нельзя использовать «юбку» и дно автомобиля должно быть плоским.

Тем не менее, плоское дно приносит пользу, потому что оно помогает снизить сопротивление под машиной. Это особенно эффективно, если диффузор располагается в задней части днища. Это усиливает скорость воздуха под машиной, уменьшает давление и придавливает машину.

Влияние всех этих переделок на обычную машину будет минимальным, так как очень сложно сделать плоское днище.

Да, на дороге можно встретить машины с чем-то похожим на диффузор (производители называют эту деталь именно так), но обычно он расположен слишком высоко, чтобы быть хоть сколь нибудь эффективным и стоит он там просто для красоты.


Легковесные машины оказывают меньше давления на шины, чем тяжелые автомобили, поэтому они будут иметь более высокое сцепление при прочих равных условиях.

В идеале хотелось бы, чтобы вес приходился на центр автомобиля. В реальности, вес приходится только на один конец, именно здесь шины работают более интенсивно. В таком случае, нужно настраивать подвеску или выбирать шины с учетом этого факта.

Идеальная ситуация — это, когда двигатель располагается перед задними колесами. Это отлично подходит для суперкаров и некоторых недорогих спортивных автомобилей, но совершенно неприемлемо для обычных машин, потому что тогда не останется места для
пассажиров сзади и для багажа.

ЦЕНТР ТЯЖЕСТИ


Еще один аспект, связанный с весом машины — это центр тяжести. Мы можем очень понятно объяснить этот научный факт, если возьмем в качестве примера спичечный коробок или даже карандаш.

Проще всего уронить эти предметы, когда они стоят на одном конце (высокий центр тяжести), чем, когда они лежат всей плоскостью на поверхности (низкий центр тяжести).

Чем ниже центр тяжести, тем сложнее перенести вес с одной стороны машины на другую.

Меньший перенос веса означает меньшую нагрузку на внешние шины, что в свою очередь позволяет машине быстрее ездить на поворотах, так как колеса не успевают потерять сцепление.

Гоночные автомобили, созданные на заказ, очень низкие и все в них располагается, как можно ближе к земле именно по этой причине.

Это невозможно сделать в дорожных машинах, но у спортивных моделей все же есть неоспоримое преимущество перед семейными авто и даже перед SUV.

РАСПОЛОЖЕНИЕ КОЛЕС

Расстояние между правыми и левыми колесами, которое называется колеей, очень важно.

Читайте также:  Тюнинг интерьера мазда сх 5

Чем оно больше, тем меньше переносится вес автомобиля при движении на повороте. То есть, машина с высоким центром тяжести может переносить значительный вес, если колея достаточно широкая.

Более распространенное название колеи — колесная база, но оно означает расстояние между передними и задними колесами.

Автомобили с длинной базой более устойчивы на динамических поворотах, но менее маневренны при медленном движении. У автомобилей с короткой колесной базой, соответственно, все наоборот.

Большую роль играет взаимосвязь колеи с колесной базой. Автомобиль с короткой базой может иметь характеристики аналогичные машине с длинной базой, если сама машина очень узкая. В идеале, конечно, она должна быть еще и очень низкой.

КУДА УХОДИТ СИЛА


Шины деформируются, когда им передается сила, а точнее крутящий момент. Если речь идет о сцеплении, то решающим является фактор, какие колеса работают, а какие нет.

Переднеприводные автомобили обычно теряют сцепление спереди. Нужно учитывать еще и то, что задние шины уже находятся под напряжением, потому что на них переносится вес двигателя и коробки передач.

Заднеприводные автомобили лучше удерживают баланс, но все же склонны терять
сцепление сзади.

Лучший вариант — это полноприводный автомобиль и не потому что здесь обеспечивается лучшее сцепление, а потому что потеря сцепления менее вероятна.

Да, в полноприводных автомобилях на шины приходится дополнительный вес, но каждая шина принимает на себя только четверть мощности двигателя, а не половину, поэтому давление на шины меньше.

Полный привод идеален для быстрых дорожных автомобилей, раллийных авто и SUV, но не для машин Формулы 1, так как в этом случае придется многим пожертвовать в плане конструкции гоночной машины.

САМОЕ ВАЖНОЕ


Неважно, на какие уловки идет производитель, чтобы обеспечить машине хорошее сцепление, единственным и самым важным фактором остается сам водитель.

Даже если вы небольшой знаток автомобилей, вы можете сохранять высокий уровень сцепления, наблюдая за поведением своей машины, плавно управляя рулем, не включая мощность двигателя на полную без необходимости, выбирая оптимальную скорость на поворотах и внимательно наблюдая за дорогой и условиями езды. Только в этом случае, в любой ситуации вы всегда сможете плавно затормозить без негативных последствий.

Вы не только сами станете более умелым водителем, но и ваша машина будет лучше.

Дорогие друзья! Два года назад я написал статью «Сцепление шин с дорогой не зависит от площади пятна контакта?», и она вызвала бурную реакцию аудитории. Статья до сих пор находится в блоге, и на ее странице много комментариев, вопросов, споров, рассуждений. Кто-то, прочитав, поблагодарил меня за развенчивание мифов и простое, доступное объяснение физики процесса. Кто-то, наоборот, раскритиковал за излишнюю упрощенность и ограниченность моих рассуждений и аргументов.

За два года, что прошли с момента написания этой статьи, я поучаствовал во многих дискуссиях на эту тему, познакомился с новой литературой, пообщался с другими физиками (сам я – тоже физик по специальности), гонщиками и кое-что переосмыслил. Суть моих размышлений не поменялась, они стали более систематизированы и поменялись формулировки. Вот их я и изложу ниже. Поехали.

Сила трения покоя: закон Амонтона-Кулона

Снова вернусь к школьной физике. Напомню, школьная физика и классическая механика достаточно точно описывают повседневные явления. Пока речь не заходит об очень маленьких масштабах или релятивистких скоростях, классическая механика отлично работает. Более того, в какие бы научные труды о сцеплении шин с дорогой я не заглядывал, я видел в них много страшных зубодробящих формул, интегралов, рядов, но в конце концов все сводилось к одной простой школьной формуле, которая называется законом Амонтона-Кулона:

где µ — коэффициент сцепления, N – сила, прижимающие одно тело к другому (в данном случае, вес шины плюс вес части автомобиля, приходящейся на эту шину), m — масса тела (шины и части автомобиля, приходящейся на эту шину), g — ускорение свободного падения.

То есть сила трения пропорциональна силе, прижимающей одно тело к другому, и коэффициенту трения. В самом простом случае эта сила — вес и представляет собой силу тяжести, то есть произведение массы тела на ускорение свободного падения. И тогда сила трения покоя пропорциональна коэффициенту трения, массе тела и ускорению свободного падения.

Сила трения покоя – она же сила сцепления

Автомобиль движется благодаря силе трения покоя в области контакта шины с дорожным полотном, а не силе трения качения, как иногда думают. Сила трения качения – следствие деформации шины. Она наоборот тормозит движение автомобиля. А пятно контакта шины с дорогой покоится относительно дороги в случае качения шины. Конечно, во время качения в пятне контакта всегда присутствуют элементы протектора, проскальзывающие относительно дороги, но в случае равномерного прямолинейного движения автомобиля в первом приближении их можно не учитывать и считать силу трения силой трения покоя или еще ее называют силой сцепления шины с дорогой, а коэффициент трения покоя – коэффициентом сцепления. При торможении большая часть элементов протектора может скользить вдоль дорожного полотна. В этом случае вращение колеса (и следовательно автомобиль) тормозится силой трения скольжения. Стоит отметить, что обычно сила трения скольжения меньше силы трения покоя.

Перераспределение веса авто между шинами и сцепление с дорогой

Теперь разберем, что есть что в формуле Амонтона-Кулона. Ускорение свободного падения постоянно, его из обсуждения исключаем. Масса в целом тоже постоянна. Конечно, вес автомобиля распределен между 4 шинами, и при изменении скорости и/или траектории движения распределение веса может существенно меняться: какие-то шины разгружаются, а какие-то нагружаются дополнительно.

Перераспределение веса автомобиля между шинами тоже косвенно влияет на их сцепление с дорогой. Скажем, при торможении вес машины частично смещается с задней оси на переднюю, следовательно, сила прижатия задних шин к дороге уменьшается и поэтому сила их сцепления с дорогой ухудшается. Это повышает вероятность заноса автомобиля, но на тормозной путь не влияет, потому что сила сцепления передних колес с дорогой увеличивается из-за перераспределенной нагрузки. Если на одних и тех же шинах будут тормозить Porsche 911 и Porsche Cayenne, у последнего вследствие большей высоты смещение веса с задних шин на передние будет в большей степени, и Cayenne больше рискует попасть в занос. Но тормозной путь от этого меньше не станет. То, что Cayenne тяжелее – тоже не влияет, об этом читайте статью «Тормозной путь не зависит от массы авто?». Поворачивать Cayenne будет конечно же хуже 911-го и на меньших скоростях – как раз из-за более высокого центра тяжести и большего смещения веса и больших кренов.

Кроме того, на перераспределение веса влияет манера вождения. При аккуратном вождении, когда водитель избегает резких поворотов, перестроений, ускорений и торможений (читай, чем меньше нажата педаль тормоза или чем на меньший угол поворачивается руль), запас сцепления шин с дорогой максимален, то есть шины находятся «максимально далеко» от перехода в состояние полного скольжения и, как следствие, управление автомобилем максимально безопасно. Во-вторых, одно и то же перемещение педалей или руля можно совершить по-разному: быстро, резко или по нарастающей, прогрессивно. Резкое нажатие на педаль или поворот руля приведет к соответствующему резкому перераспределению веса с одних шин на другие, и это чревато их срывом в скольжение и сходом с траектории движения. Постепенное же воздействие на органы управления приводит к столь же плавному перераспределению веса, что позволяет шинам цепляться за дорогу без риска скольжения и потери управляемости или устойчивости автомобиля. Убедиться в этом на практике вы можете на курсах контраварийной подготовки водителей, например, при выполнения упражнения «экстренный объезд препятствия».

Практические рекомендации

1. Если вы хотите водить машину по дорогам общего пользования безопасно, а по гоночному треку быстро, перемещайте органы управления (руль, педали газа и тормоза) плавно и постепенно.

Теперь поговорим о том, что в самой шине влияет на ее сцепление.

Коэффициент сцепления шины с дорогой

Остается последний параметр в формуле силы трения Амонтона-Кулона – коэффициент сцепления µ, который, в первую очередь, зависит от природы соприкасающихся поверхностей. Самый показательный пример – сцепление резины с асфальтом куда лучше, чем той же резины со снегом и тем более льдом, несмотря на разные механизмы трения между шиной и этими тремя покрытиями. А при одном и том же дорожном покрытии коэффициент сцепления будет зависеть уже от состава резины и конструкции протектора. Например, на зимних шинах автомобиль куда лучше держит скользкую дорогу, чем на летних. И главное отличие зимних и летних шин – именно разный состав резины и конструкция протектора.

А если вы когда-нибудь смотрели по телевизору Формулу 1, наверняка слышали о разных типах шин и разных составах: «мягкий состав, сверхмягкий состав, жесткий состав». Именно это и оказывает ключевое влияние на коэффициент сцепления, даже в Формуле 1.

Так что же, все? Больше ничего не влияет? И что, этот коэффициент сцепления постоянен? Влияет, и как раз потому, что коэффициент сцепления не является постоянным и зависит от некоторых факторов. Но для начала расскажу о пресловутой площади пятна контакта.

Влияет ли площадь пятна контакта на сцепление шины с дорогой?

На всякий случай напомню, что такое пятно контакта. При контакте с плоским дорожным покрытием ВСЯ шина деформируется, сминаясь и становясь плоской в зоне контакта. Эту зону и называют пятном контакта. Пятно контакта имеет площадь, примерно равную размеру ладони. Обыватели часто думают, что чем больше площадь пятна контакта, тем лучше сцепление шины с дорогой. И еще многие думают, что чем шире шина, тем больше площадь пятна контакта. А следовательно, думают, что чем шире шина, тем лучше ее сцепление с дорогой. Ниже я расскажу обо всем этом по порядку.

Как видно из формулы Амонтона-Кулона, площадь пятна контакта в силу трения не входит. Почему? Ведь, казалось бы, чем больше площадь, тем больше элементов шины участвует в зацеплении и тем больше сила трения. С одной стороны – да, а с другой – чем больше площадь соприкосновения, тем меньше давление шины на дорогу. Выходит баш на баш, и площадь не играет никакой роли. Теперь объясню то же самое на языке физики.

Чтобы было понятнее, куда же делась площадь, можно формулу Амонтона-Кулона (1) переписать иначе, с учетом площади пятна контакта и отразить влияние пятна на давление. Все просто: давление тела на опору или, в нашем случае, шины на асфальт равно весу тела (шины), деленному на площадь контакта:

где P — давление шины на дорогу, N = mg — все тот же вес шины.

Тогда отсюда можно выразить вес через давление:

Теперь, если подставить эту формулу в закон Амонтона-Кулона, получим:

Читайте также:  Краска для кузова автомобиля

Или, выражаясь человеческим языком, сила сцепления шины с дорогой пропорциональна коэффициенту сцепления, давлению шины на дорогу и площади пятна контакта. Это именно то, как воспринимает силу сцепления большинство людей. Но здесь зарыта собака – в том, что давление напрямую зависит от площади пятна контакта и обратно пропорционально ему. Об этом нам говорит формула (2). Подставляя сюда выражение для давления, получим:

Тогда площадь мы успешно сокращаем и приходим к закону Амонтона-Кулона (1) и силе сцепления, не зависящей от площади пятна контакта.

Влияние адгезии на коэффициент сцепления

Многие интуитивно полагают, что механизм трения резины объясняется адгезией — её приклеиванием к дорожному покрытию: чем больше площадь соприкосновения, тем больше приклеивание и тем больше сцепление. При этом приклеивание, вроде бы, не очень зависит от прижимающей силы. Действительно, тот же скотч липнет к гладким чистым поверхностям без всякого усилия, обеспечивая великолепное сцепление. Ключевое слово тут – гладкие чистые поверхности. Если поверхность шероховатая и грязная, как асфальт, то скотч будет держать гораздо хуже. На этом эффекте основан принцип защиты поверхностей в городской среде от наклеивания объявлений. И скотч, и объявления не держатся на неровных поверхностях потому, что реальная площадь контакта гораздо меньше площади самого скотча или бумаги. Если материал текучий и его контакт с неровной поверхностью сохраняется достаточно долго, то склеивание будет возможно. Обычная резина – материал мягкий, но не текучий, а времена ее контакта с дорожным полотном довольно малы. В результате, вкладом прилипания в формирование коэффициента трения можно пренебречь. Для желающих разобраться в вопросе самостоятельно, я могу порекомендовать ознакомиться с теориями Гринвуда-Вильямсона и Джонсона-Кендалла-Робертса и последующим развитием теории механики контактного взаимодействия.

Что же касается езды по гоночному треку на спортивных и гоночных шинах, там эффект прилипания шины к поверхности трека может быть более заметным. Отчасти это связано со специфическим составом резины протектора и отчасти – с более высокой температурой, до которой прогреваются шины при гоночной езде. Этот эффект и объясняет, почему коэффициент сцепления гоночных шин может быть заметно больше 1 (у шин в Формуле 1 – около 1,8).

И вот как такой коэффициент сцепления сказывается на практике:

Тормозной путь гоночного болида F1 со скорости 140 км/ч оказался короче на 32 метра, чем обычного дорожного автомобиля, 48 метров против 80, то есть в 1,66 раза короче. Во столько же раз коэффициент сцепления гоночной шины в этом видео больше, чем у дорожной.

Влияние аэродинамической прижимной силы на силу сцепления

Не стоит путать эффект прилипания шин к поверхности трека с эффектом аэродинамической прижимной силы, благодаря которой пилоты Формулы 1 при торможениях, ускорениях и поворотах могут испытывать перегрузки, в несколько раз превышающие величину ускорения свободного падения. А болиды, соответственно, иметь в несколько раз большую динамику торможения и скорость прохождения поворотов, чем обычные дорожные машины. То есть в повороте боковое ускорение величиной 4g (где g – ускорение свободного падения) болиды развивают не за счет прилипания шины и коэффициента сцепления, якобы, в 4 раза большего, чем у дорожных шин, а за счет большой прижимной силы, которая создается антикрыльями на большой скорости и в несколько раз превышает силу тяжести болида.

Увеличенное пятно контакта – спущенные шины

Из практики, площадь пятна контакта можно увеличить, уменьшив давление в шинах. Если спустить шины до 1 атмосферы, то при норме в 2 атмосферы это вдвое меньшее давление и вдвое большая площадь пятна контакта. Так что же, ездовые характеристики машины улучшатся в 2 раза? Конечно же нет и, более того, они ухудшатся. Хотя… тормозной путь уменьшится, но не из-за увеличившегося пятна контакта, а из-за увеличившейся силы трения качения вследствие более мягкой шины и большей ее деформации. А ускорение не станет лучше и будет только хуже – все из-за той же силы трения качения. Ну а в поворотах… машина будет вести себя, как будто водитель сильно пьян 🙂 В общем, не делайте этого – не спускайте шины без необходимости, и, кстати, об этой необходимости…

Увеличение площади пятна контакта за счет спускания шин реально может помочь, если нужно проехать через какие-то рыхлые, зыбучие места. За счет большей площади контакта с поверхностью уменьшится давление шин на поверхность, а значит, и риск провалиться или увязнуть.

Увеличим ширину шин в 10 раз и спасем мир от ДТП?

Обратный пример, узкие шины мотоцикла не делают его более медленным, чем машина, и, более того, он заметно быстрее ее. Быстрее он по другим причинам, но значительно меньшая ширина шины негативного влияния точно не оказывает.

И еще идея – а давайте увеличим ширину шины в 10 раз и тем самым увеличим сцепление в 10 раз, и раз и навсегда решим все проблемы зимней езды, а на асфальте машина вообще будет останавливаться, как вкопанная! И всем всегда будет хватать тормозного пути! Что, вам не нравится эта идея? Правильно, если б все было так просто, это бы давно уже сделали…

увеличение площади пятна контакта => увеличение количества элементов шины, участвующих в зацеплении, и одновременно уменьшение давления шины на дорогу => оба эффекта компенсируют друг друга в равной степени => сцепление шины с дорогой не меняется

Влияет ли ширина шины на площадь пятна контакта?

Более того, увеличив ширину шины, хоть в 10 раз, мы не увеличим площадь пятна контакта, а лишь изменим его форму. Пока вы не закидали меня тухлыми помидорами после этой фразы, я попробую успеть доказать ее :)))

Вспомним, что такое давление – это сила (в нашем случае – сила тяжести, прижимная сила), приходящаяся на единицу площади. Об этом нам говорит формула (2), продублирую ее:

где m – масса тела (шины и части машины, приходящейся на эту шину), а S – площадь соприкосновения тел, то есть, в нашем случае площадь пятна контакта.

Отсюда площадь пятна контакта равна

То есть площадь пятна контакта шины с дорогой тем больше, чем больше вес машины, приходящийся на эту шину, и чем хуже она накачана. И, конечно, на площадь влияет и жесткость боковин шины. Чем жестче боковины, тем меньше деформируется шина и тем меньше деформируется шина при уменьшении давления воздуха в ней. Хороший пример – современные шины с усиленными боковинами Run Flat, которые даже будучи полностью спущенными могут довезти автомобиль до места назначения, не особо проседая. От ширины шины площадь пятна контакта при одном и том же давлении и одной и той же нагрузке не зависит (в первом приближении).

Ширина шины влияет на форму пятна контакта

Прекрасно! А куда же делась ширина шины. Очень просто, и тут опять работает принцип «баш на баш». Пятно контакта – следствие деформации шины, которая, в свою очередь, возникает вследствие приложенной сверху силы, то есть cилы тяжести самой шины и автомобиля. Чем шире шина, тем шире пятно контакта, что, казалось бы, должно увеличить площадь пятна. С другой стороны, чем шире шина, тем меньшее давление она оказывает на дорогу и тем меньше деформируется. В итоге, при увеличении ширины профиля шины мы имеем ту же площадь пятна контакта, но более вытянутую по ширине и узкую его форму.

В одном из серьезных научных трудов, который попался мне на глаза за последнее время (Автомобильные шины, диски и ободья, Евзович В.Е., Райбман П.Г.), авторы привели результат эксперимента с тремя шинами, две из которых были одной и той же модели, но разного диаметра ширины:

205/55 R16 с площадью отпечатка 173*143 мм = 247,39 см2

225/45 R17 с площадью отпечатка 185*134 мм = 247,90 см2

Как видим, у более широкой шины пятно более вытянутое и узкое, чем у более узкой шины. При этом в квадратных сантиметрах площадь пятна контакта практически одна и та же.

То есть, да, при одном и том же давлении у широкой шины пятно контакта по площади больше, чем у узкой. Но насколько? В данном примере на десятые доли процента, а вообще – максимум на несколько процентов. Теоретически, мы можем поставить на машину вместо шин с шириной профиля 195 мм шины с профилем, скажем, 245 мм. Но на практике это недопустимо по требованиям завода-изготовителя автомобиля. В любом случае, как я писал выше, площадь пятна контакта непосредственно не влияет на силу сцепления, поэтому ни эти доли процента, ни большее увеличение площади (например, за счет снижения давления в шине) погоды нам не сделают.

увеличиваем ширину профиля шины => увеличиваем ширину пятна контакта и одновременно уменьшаем давление шины на дорогу и деформацию шины в зоне контакта => уменьшаем длину пятна контакта => изменяется форма пятна контакта, но не меняется его итоговая площадь (меняется незначительно)

А увеличить площадь пятна контакта можно либо уменьшив давление воздуха в шине, либо увеличив нагрузку на шину сверху.

Сила сцепления шины с дорогой. Итоги

Итак, ширина шины напрямую не влияет на ее сцепление с дорогой по двум причинам:

а) площадь пятна контакта не влияет на сцепление

б) ширина шины не влияет на площадь пятна контакта

Я бы сказал, сила трения имеет «двойную защиту» от ширины шины :)))

Однако ширина шины все же косвенно влияет на силу сцепления, и независимость площади пятна контакта от ширины никак не мешает этому влиянию. Обо всем этом – ниже.

В итоге, сцепление шины с дорогой зависит от:

1) веса, приходящегося на шину, от развесовки автомобиля и динамического перераспределения веса, а значит, и от конструктивных его особенностей – высоты центра тяжести, колесной базы, колеи, подвески, жесткости кузова. Обсуждение этих моментов – отдельная тема и выходит за рамки этой серии статей.

2) коэффициента сцепления (трения покоя). А он, в свою очередь, много от чего зависит, но не от площади пятна контакта! 🙂 Вот параметры, влияющие на величину коэффициента сцепления шины с дорогой, известные мне из университетского курса физики, специальной литературы и из водительского и инструкторского опыта:

Обо всем этом я подробно напишу в следующих статьях. Кроме того, все эти вопросы мы подробно обсуждаем на курсе безопасного вождения «МВА для водителя: Мастерство Вождения Автомбиля». Конкретно в следующей статье — о влиянии дорожного покрытия, типа протектора шины, рисунка протектора и степени его износа на коэффициент сцепления, а также о зависимости коэффициента сцепления от температуры шины.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *