В прошлом посте, мы отчаянно разбирали вопрос держака и немного коснулись темы коэффициента сцепления и его поведения.

Вкратце — было сказано что коэффициент трения падает при росте нагрузки на колесо, и в видео была отсылка к другому ролику канала Engineer Explained — в котором объяснялось, почему это так. Нам стало интересно и мы решили перевести и его:



Текстовая версия и небольшое дополнение — под катом:



Всем привет и добро пожаловать!

Сегодня я собираюсь обсудить чувствительность шин к нагрузке, и это действительно крутая тема, ведь это одна из причин, объясняющая почему инженерам нравится использовать распределение веса 50/50 или близкое к нему в автомобилях, а также почему вы предпочитаете использовать более широкие шины для лучшей управляемости. Это, конечно, не единственная причина, почему вес распределяют в соотношении 50/50 или почему более широкие шины обеспечивают лучшую управляемость, но это одна из них, и ее часто неправильно понимают. Поэтому я решил потратить немного времени, разобраться и объяснить, как всё работает.

Итак, во-первых, мы собираемся начать с великого уравнения F = Мu * N, которое говорит:


Если у вас есть коробка, лежащая на поверхности, есть определенный коэффициент трения между коробкой и поверхностью, а у коробки постоянная масса, то вы получаете силу реакции опоры, направленную в противоположное весу направление и эквивалентную весу этой коробки – а для того, чтобы переместить коробку, вам придется преодолеть трение, и сила трения эквивалентна коэффициенту трения, умноженному на силу реакции опоры.

Я часто использовал этот пример в моих видео, которые многие из вас, вероятно, уже видели, или просто слышали об этой формуле раньше, но одно из явлений, о котором я вам расскажу, называется чувствительностью шины к нагрузке.

И я хочу рассказать вам о том, что когда сила реакции опоры увеличивается, коэффициент трения уменьшается. И зная об этом, вы бы никогда не сказали, что:

«Окей, это означает, что если у меня есть машина, которая весит 2000 фунтов или 4000 фунтов, она сможет пройти один и тот же поворот одинаково, потому что за счет увеличения веса, увеличится и сила реакции опоры, и следовательно, увеличится сила трения»

Это не обязательно так, потому что коэффициент трения уменьшается с увеличением действующей силы. Здесь изображена диаграмма, где видно, что коэффициент трения будет оставаться относительно стабильным, пока не достигнет определенной точки, после которой он начнет уменьшаться при дальнейшем увеличении силы реакции опоры.



Итак, вернёмся к примеру — если у меня есть машина, которая весит 2000 фунтов, коэффициент трения равен единице, и я принимаю, что тормоза не являются ограничивающим фактором — то есть если я нажму на тормоза, эта машина сможет остановиться с ускорением в 1g. Две тысячи фунтов силы делятся на две тысячи фунтов массы автомобиля — это 1g.

Теперь, если я возьму ту же машину и прибавлю к ней две тысячи фунтов – теперь масса машины в примере четыре тысячи фунтов – я бы не смог остановить ее с точно таким же ускорением в 1g. На точно таких же шинах, с точно таким же распределением веса, как и раньше, но я просто добавил две тысячи фунтов. Автомобиль будет останавливаться немного медленнее, хотя мы и приняли, что тормоза будут также эффективны, как и раньше. А причина в том, что этот коэффициент трения будет меньше.

Так какие выводы мы можем сделать, зная этот факт?

Это говорит нам о том, что если у вашей машины четыре равномерно нагруженные шины, то она будет останавливаться быстрее, ускоряться быстрее, сможет удерживать более высокое боковое ускорение и будет лучше во всех отношениях, чем автомобиль, шины которого нагружены неравномерно.

Итак, как я уже говорил ранее, распределение веса 50/50 дает по 50 процентов веса спереди и сзади, поэтому, когда вы проходите поворот, у вас будет больше распределенной нагрузки, так что вы сможете пройти поворот быстрее, потому, что вес распределён равномерно по всем шинам, и нет какой-либо перегруженной покрышки, коэффициент трения которой, вследствие этого, уменьшается.

Конечно, вы спросите, почему, почему это так, и это очень сложный вопрос. Его довольно сложно объяснить, и по нему не так много хорошей информации, но я кажется раскопал кое-что и постараюсь объяснить вам как можно лучше. По сути, уменьшение коэффициента сводится к свойству резины, называемому вязкоупругостью, и отчасти это касается того, как работает резина. Поэтому давайте проработаем здесь основные моменты.

Итак, что же у нас происходит — есть пятно контакта на земле от веса нашего автомобиля, и когда мы увеличиваем вес автомобиля, оставив при этом те же шины, пятно контакта не сильно изменится под нагрузкой. Да, шины немного деформируются в контакте с дорогой, и получится немного большая площадь поверхности, но в целом относительный размер пятна контакта увеличится незначительно.

Далее, по мере роста нагрузки на пятно контакта, давление на нем тоже увеличивается. Нагрузка увеличивается, площадь пятна контакта не изменяется – поэтому давление в пятне контакта растет. Так как давление повышается, то способность резины сопротивляться трению сдвига уменьшается и это означает, что и коэффициент трения будет уменьшаться, так как уменьшается сопротивление трению сдвига. Так что в таком состоянии шина больше подвержен а срыву, а не изменению формы под профиль дороги.


Далее идет «обьяснение на пальцах» поэтому его лучше смотреть на видео

В качестве примера я использую резинку. Подумайте о ней, как о теле, состоящем из длинных цепочек молекул, и все эти молекулы перепутаны и сшиты друг с другом. Когда я растягиваю резинку, они тоже растягиваются, а затем стягиваются вместе.

Таким образом, свойства этих полимерных цепей меняются в зависимости от напряжения и нагрузки, которые вы на них оказываете. Итак, когда я растягиваю резинку, эти полимерные цепи растягиваются, а когда отпускаю, они возвращаются к своему устойчивому состоянию. Рассмотрим начало процесса, когда я только начинаю натягивать эту резиновую полосу — происходит упругая деформация, где на самом деле ничего не разрывается, и ничего плохого не происходит — резинка может вернуться в исходное положение точно туда, где она была раньше, однако, если вы продолжите натягивать ее, вы увидите, что эти полимерные цепи в ее структуре теперь чрезвычайно растянуты и они становятся намного тоньше. Так что теперь меньшее количество этих молекул сопротивляются при растяжении, потому что теперь в структуре стало меньше самих полимерных цепей, и это означает, что они менее устойчивы к деформации.

Как раз то, о чем я говорил ранее — сопротивление резины к трению уменьшается, и сопротивление к сдвигу становится меньше, здесь тоже самое.

В этом месте становится меньше резины, поэтому меньше устойчивости к растяжению, что в итоге приводит к пластической деформации.

Теперь, если вернуться к шине, то этот процесс больше похож на сжатие, и если я действительно сильно начну сжимать резинку — я начину растягивать эти полимерные цепи, а это приводит к тому, что они становятся настолько тонкими, что перестают сопротивляться деформации и начинают обрываться.

Так что если мы вернемся к шине, когда вы сжимаете резину, она начинает выдавливать сама себя, что ведет к утончению полимерных цепей в ней и они начинают обрываться вместо того, чтобы менять свою форму под профиль дороги. Если же вы хотите максимум сцепления, чтобы преодолеть поворот, то вам нужна упругая деформация, которая даст вам максимальный коэффициент трения.

А теперь немного личного мнения

Видео действительно объясняет характер поведения коэффициента трения в зависимости от нагрузки, но только в общих чертах.
Ряд моментов, автор очень сильно упрощает, хотя и общая тенденция — верна.

Здесь не затронута, например, тема влияния проскальзывания на коэффициент трения. Например в этой работе, можно увидеть, что максимальный коэффициент трения M — достигается при некотором проскальзывании шины относительно покрытия. Здесь не объясняется влияние температуры резины на держак и этот коэффициент, и еще много факторов.

Поэтому, если тема резины заинтересовал, есть достаточно много более подробных материалов, обьясняющих, поведение резины:

Эксперимент, доказывающий уменьшение коэффициента сцепления

Внезапно! Википедия!

Подробное описание того, почему так происходит

Очень подробное описание того, почему так происходит