Тормозим на широких шинах — результат вас удивит

Не спешите с выводами. Выведенная Кулоном зависимость касается лишь силы трения покоя, которая действует между двумя контактирующими телами и препятствует возникновению относительного движения, то есть справедлива она только при условии, что колёса автомобиля неподвижны (отсутствует качение).

Что такое сила трения покоя?

Представьте автомобиль, неподвижно стоящий на ровном асфальте. Водитель изо всех сил давит на педаль тормоза. Автомобиль прицеплен к тягачу через динамометр, измеряющий силу тяги. Тягач начинает движение, а динамометр фиксирует значение силы, которая будет максимальной в тот момент, когда автомобиль с заторможенными колесами тронется с места. Если выполнить такие замеры, поочередно устанавливая комплекты шин с протекторами разной ширины, но из одинаковой резиновой смеси, то значения максимальной силы будут схожими. В этом случае идеально работает закон Кулона — расхождения полученных значений будут минимальными, в пределах погрешности измерений.

Но как только автомобиль начинает двигаться, зависимость, установленная Кулоном, теряет актуальность, поскольку вместо силы трения покоя, удерживающей заторможенную машину от движения, вступят в действие другие силы трения. А значит, и на автомобиль, который снижает скорость (тормозит), будут действовать другие силы.

Тормозим по другим законам

Торможение (читай: преобразование энергии) происходит за счет трения тормозных колодок о поверхность тормозного диска (барабана), внутреннего трения резины протектора (в основном при его деформации в пятне контакта), а также трения протектора об асфальт даже при незначительном проскальзывании.

Максимальная эффективность торможения достигается, когда проскальзывание колес составляет около 15% (так называемое рабочее скольжение). На летних шинах такой эффект возникает благодаря сочетанию внутреннего трения резины при деформации протектора, сдвига мелких фракций на поверхности дороги, а также поглощения энергии подвеской — и используется при работе АБС, которая допускает незначительное проскальзывание шины относительно дороги. Таким образом, торможение происходит в переходной стадии трения скольжения. Нужно выйти далеко за пределы элементарной физики, чтобы описать такое сложное взаимодействие различных видов трения. Да еще и присутствующее в этом процессе качение вносит свою лепту, непрерывно выводя из пятна контакта «отработавший» нагретый участок протектора и доставляя в него свежий — более холодный.

Трение неминуемо приводит к нагреву поверхности протектора, а изменение температуры существенно влияет на сцепные свойства резины. Перегрев протектора приводит к снижению его прочности и последующим микроразрушениям (плавлениям) поверхности, дополнительно ослабляя «держак». Характерный пример — торможение на автомобилях без АБС с полной блокировкой колес, с дымком и характерным запахом, оставляющее на асфальте черные следы горелой резины.

Шире шины — выше трение

Что мы имеем на практике? Чем шире протектор шины, тем больше площадь ее пятна контакта с дорогой, а значит, и поверхность трения больше. Следовательно, большее количество кинетической энергии будет преобразовываться в тепловую. К тому же интенсивнее станет рассеивание тепловой энергии и снизится опасность перегрева. Всё это в совокупности обеспечивает более эффективное торможение.

Переохлаждение шины тоже негативно сказывается на ее сцепных свойствах. Это особенно хорошо видно по ухудшению результатов «холодного» торможения на мокром асфальте при +6 °C (ЗР, № 3 и № 4, 2018). Резина не имеет возможности прогреться до рабочей температуры, а потому остается недостаточно эластичной и хуже цепляется за микронеровности асфальта. В этой ситуации способность широких шин лучше охлаждаться, наоборот, неблагоприятно отражается на рабочих характеристиках — в холодную погоду их сцепные свойства ухудшаются заметнее, чем у узких.

Еще раз о коэффициенте трения

Примечательно, что сцепные свойства любых шин изменяются в ходе торможения. В начальный период они слегка улучшаются по мере прогрева резины до наиболее эффективной (рабочей) температуры, а затем — в случае, если резиновая смесь не успевает отдавать тепло и перегревается, — могут ухудшиться.

Как вычислить коэффициент трения? По формуле k = v²/2gs (где v — скорость начала торможения, g — ускорение свободного падения, s — тормозной путь). Значение тормозного пути для каждой шины получаем экспериментальным путем — замеряем при торможении на асфальте. Разные шины обеспечивают разный тормозной путь — следовательно, по своим сцепным свойствам они отличаются друг от друга. Причем чем шире протектор, тем сцепные свойства лучше (конечно, если резиновая смесь не переохлаждена). Результаты наших шинных испытаний доказывают это. И, как вы уже поняли, не противоречат законам физики.

• Ответы на все шинные вопросы содержатся на нашем специальном портале. Здесь можно просмотреть тесты, изучить предложения продавцов и оставить заявку на покупку.
• Купленные шины правильнее всего хранить в специальных чехлах.

В помощь школьному учителю физики (урок №1)

«Детей надо учить тому, что пригодится им, когда они вырастут.» Действительно ли эту максиму* высказал Аристипп Киренейский, действительно ли она была произнесена 2400 лет тому назад, следует признать, что это высказывание чертовски верно и актуально во все времена. Детей действительно надо учить тому, что может им пригодиться – и в первую очередь это касается физики. Потому что физика (от греческого φύσις – природа) – это, прежде всего, наука об окружающем нас мире, о том, по каким законам функционирует этот мир. А вовсе не безумные гипотезы вроде Специальной теории относительности, согласно которой 1+1=1 или разнообразные фантазии квантовой физики.

*ПРИМЕЧАНИЕ. Максима – правило поведения или основной принцип, которым люди должны руководствоваться в своих поступках.

На одном из физических форумов кто-то из недалёких граждан (то ли малолетний, то ли великовозрастный), после ознакомления с моей статьёй « Нынешний закон сохранения энергии – величайшее заблуждение современной физики », заявил мне, что «энергия» поступательного движения должна измеряться в кг×м²/с² по той простой причине, что тормозной путь автомобиля пропорционален квадрату его скорости.

Действительно, тормозной путь автомобиля пропорционален квадрату скорости. Но это никоим образом не следует из нынешнего закона сохранения энергии. По той простой причине, что это следует из самого обычного уравнения равноускоренного (равнозамедленного) движения:

Допустим, что после того, как Вы нажали на педаль тормоза, торможение автомобиля происходит равнозамедленно, с каким-то постоянным, равным по величине замедлением (отрицательным ускорением) a . Тогда тормозной путь автомобиля с начала момента торможения составит:

Учитывая, что конечная скорость автомобиля равна 0:

Хочу напомнить, что время торможения будет всегда положительным числом, так как при замедлении движения величина a всегда отрицательная. 🙂

То есть тормозной путь при всех прочих одинаковых параметрах торможения машины действительно пропорционален квадрату начальной скорости, то есть скорости, с которой автомобиль начал торможение. Кому-то может показаться, что расстояние, которое пройдёт автомобиль при торможении, отрицательное, чего быть, в принципе, не может. Величина тормозного пути есть число положительное, так как величина a – замедление, как математическая величина, всегда отрицательная. При этом надо чётко понимать, что никаких отрицательных физических величин в природе, а значит, и в физике, не существует и никогда не существовало.

На практике принято использовать полученное уравнение в виде:

полагая, что на самом деле в уравнении используется не собственно ускорение a , а его модуль | a | . Поэтому более правильной с точки зрения математики была бы запись:

Также сила торможения

где G – вес тела (в нашем случае – автомобиля),

а φ – это коэффициент трения.

Таким образом, согласно классической теории трения, масса автомобиля никак не влияет на длину тормозного пути. А длина тормозного пути определяется прежде всего, скоростью движения, причем зависимость тут – квадратичная. И также определяется коэффициентом (продольного) сцепления, как принято называть φ в среде профессиональных автодорожников и автомобилистов.

При этом действующие ГОСТы иногда дают настолько «профессиональные» и заумные определения, что иногда это определение не понять с первого раза даже нормально образованным людям, победивших в своё время сопромат и теоретическую механику и даже успешно женившихся после этих испытаний. 🙂 Например, читаем ГОСТ 30413-96 «Дороги автомобильные. Метод определения коэффициента сцепления колеса автомобиля с дорожным покрытием»:

3.1 Коэффициент сцепления (продольного) — отношение максимального касательного усилия, действующего вдоль дороги на площади контакта сблокированного колеса с дорожным покрытием, к нормальной реакции в площади контакта колеса с покрытием.)

Хотя, с точки зрения школьной физики φ – это самый что ни на есть обычный коэффициент трения.

Для иллюстрации полученного и осмысления важности этого уравнения

я приведу график и кое-какие высказывания из частично понравившейся мне статьи с сайта autocadabra автора под ник-неймом SaltLake (см. ниже).

Комментируя этот график, SaltLake пишет, цитирую: « Из графика видно, что на скользких поверхностях (лед, снег, мокрый грунт) качество резины не существенно и только трением машину на льду не остановить. Нужно применять другие принципы — протектор, цепляющийся за неровности покрытия, грунтозацепы, цепи или шипы, вгрызающиеся в лед. Участок с коэффициентом трения до 0,8 примерно характеризует поведение обычного автомобиля на асфальте. Для сравнения приведены показатели болида формулы 1. »

Упрощённая таблица величин коэффициентов сцепления приведена ниже. Будущим автомобилистам никогда не стоит забывать, что на мокрой дороге коэффициент сцепления уменьшается примерно вдвое, а на обледенелой дороге падает до катастрофической величины 0,08…0,1.

Я полагаю, что, показывая этот график школьникам, надо заострить их внимание на следующих моментах – что в условиях гололедицы, не столь уж редким явлением на всей территории Российской Федерации, при коэффициенте сцепления 0,08 – 0,10, даже при скорости 60 км/час тормозной путь составит 140 метров, а при скорости 80 км/час – почти 400.

«На практике не существует идеально ровных поверхностей, — пишет SoltLake, — всегда есть неровности, которые цепляются друг за друга. Также не существует идеально чистых поверхностей (металлы всегда покрыты оксидной пленкой, на поверхности находятся грязь и жир). В месте контакта шины с дорогой происходит ее растяжение, деформация и сжатие, из-за чего на некотором участке пятна контакта шина проскальзывает (возникает скольжение). Все это зависит от нагрузки на шину и способность покрышки не подвергаться этим влиянием характеризуется ее индексом нагрузки. Также очень существенно на коэффициент трения влияет температура. Вообще, теория трения — это эмпирическая наука и главным предметом ее изучения является коэффициент трения. Этот коэффициент не является константой и находится в сложной зависимости от очень многих факторов и условий. Их влияния и учет заслуживают отдельного разговора.»

Я настоятельно рекомендую школьным учителям использовать этот материал на уроках физики. Готов выслушать замечания и пожелания.