СТАТЬИ

СТАТЬЯ ВЛАДИМИРА ПУШИНА

СИЛА ТРЕНИЯ ? ЭТО ЕДИНСТВЕННАЯ СИЛА, КОТОРАЯ УДЕРЖИВАЕТ АВТОМОБИЛЬ НА
ДОРГОГЕ

Очень у многих существует не верное мнение о том, что в действительности
удерживает машину на дороге. Довольно часто полагают, например, что на
полно приводной машине вполне можно ездить зимой на летней резине, и что
при наличии анти блокировочной системы и системы курсовой устойчивости,
это вполне безопасно. Какие бы новшества и системы не были применены в
машине, все, что они могут сделать ? это уменьшить недостатки конструкции
машины, а также уменьшить влияние ошибочных действий водителя и его
замедленной реакции на движение автомобиля. Все, в чем могут помочь
системы ? это по возможности обеспечивать равномерную нагрузку на все
колеса, что позволит максимально использовать силу сцепления колес с
дорогой, т.е. силу трения.
Сила трения ? это единственное, что удерживает автомобиль на дороге. Без
понимания действия силы трения в различных видах через колеса на
автомобиль не возможно объяснить многие проблемные моменты в поведении
автомобиля, а главное понять, почему автомобиль далеко не всегда движется
туда, куда смотрят его колеса, т.е. туда, куда его хотел бы направить
водитель.
Теория, описывающая силы трения, к сожалению не совершенна, но она
позволяет качественно понять характер изменения предельных возможностей
сцепления шин с дорогой в реальных условиях. Водителю не нужно знать
какова именно в Ньютонах или в Кг силы сила сцепления колес с дорогой в
данный момент, но он должен понимать от чего эта сила сцепления зависит и
по каким законам она меняется. Важно контролировать характер изменения сил
трения от своих действий и от меняющихся дорожных условий, для того чтобы
не терять способности управлять автомобилем. В случае потери сцепления
колес с дорогой, водитель должен знать, какими контраварийными приемами
можно воспользоваться для восстановления контроля над автомобилем.
Многие, изучая законы физики в школе, воспринимали их как виртуальную
реальность и полагали, что в жизни эти знания бесполезны. В
действительности для правильного управления автомобилем нужны определенные
знания по физике. Не зазубривание наизусть каких - то формул, а
качественное их понимание.
В учебниках общей физики рассматривают два основных вида силы трения: это
сила трения покоя и сила трения скольжения. Для того, чтобы сдвинуть какой
любо предмет, лежащий на поверхности необходимо приложить определенную
силу. Ее обычно называют максимальной силой трения покоя, или просто силой
трения покоя. Для того чтобы двигающееся тело не останавливалось,
необходимо продолжать прикладывать некоторую силу. Она называется силой
трения скольжения. В общей физике считается, что сила трения покоя всегда
больше, чем сила трения скольжения. Легко представить, как кто-то начинает
тянуть сани. Для того, что бы тронуться с места нужно большое усилие, но
после начала скольжения сани легко катятся. Однако все эти примеры общей
физики действуют в условиях, когда силы трения (как покоя, так и
скольжения) очень далеки от своих предельных значений, а также от
предельных значений нагрузки на материалы, из которых состоят трущиеся
поверхности.
Рассмотрим современный взгляд на природу трения, который наглядно
объясняет зависимость сцепления шин с дорогой, в зависимости от нагрузки,
которая часто приближается к пределу возможного. Думаю, что многие помнят
ту единственную практическую формулу из курса общей физике Fтр макс.= м*
N, где Fтр макс ? это максимальная сила трения покоя, которая достигается
на грани срыва покоящегося тела в скольжение, м - это безразмерный
коэффициент трения в пределах от 0 до 1, а N ? сила нормального давления
(для колеса ? это сила прижатия его к дороге, перпендикулярная
поверхности). Ни кого не удивляет, откуда берется такая простая
зависимость в природе, и неужели она действует при любых нагрузках? Но в
том же курсе школьной физики приводиться пример с двумя идеально
отполированными пластинами, которые при прикосновении друг к другу
слипаются, и сила трения меду ними вдруг оказывается существенно больше,
чем в предложенной формуле Fтр макс.= м* N. Попробуем понять, что
происходит с двумя соприкасающимися поверхностями и снять все эти
противоречия.
Когда две поверхности находятся в контакте под небольшой нагрузкой, то
фактически они касаются друг друга только в местах самых больших
неровностей. По мере возрастания нагрузки в контакт вступают новые
неровности, со все меньшими высотами. На этом этапе и появляется эта почти
линейная зависимость силы трения от нагрузки Fтр макс.= м * N. В
реальности сила трения покоя при небольших нагрузках пропорциональна
фактической площади контакта (ФПК). Зависимость от ФПК легко объясняет
пример про отполированные пластины приводимый выше, там большая ФПК просто
достигается при гораздо меньших значениях N. Т.е. кажущаяся площадь
поверхности не изменяется (эта та площадь, которую мы оцениваем глазами и
замеряем линейкой), а фактическая растет пропорционально нагрузке. Эту
составляющую трения называют упругой.
Очевидно, что с ростом нагрузки наступает предел ? момент, когда
практически все атомы на одной поверхности оказались на минимально
возможном расстоянии от атомов другой поверхности. В случае очень ровных и
чистых поверхностей (без продуктов разрушения от деформации, посторонних
примесей в зоне контакта, дефектов кристаллической решетки самих
поверхностей) понятие контакта при большой нагрузке может исчезнуть, а
тела станут одним целым (идеально отполированные пластины после сжатия
слипаются, свариваются). Но на практике всегда есть слой загрязнений, а
поверхности не идеальны, т.е. все атомы двух поверхностей в контакт
вступить не могут. А максимально достижимая сила трения покоя не может
превышать силы разрушения на сдвиг самого слабого из материалов в контакте
[Трение, смазка, износ Н.К. Мышкин, М.И. Петроковец, стр. 114]. Если это
шина на асфальте, то максимально достижимая сила теоретически
ограничивается прочностью резины протектора, если это шина на рыхлом
снегу, льду, или песке, сила максимально достижимая сила трения покоя
ограничивается, прежде всего, материалом поверхности.
Но все-таки, какова же основная причина нелинейной зависимости
коэффициента трения от нагрузки, и разве две поверхности могут как-то
менять характер взаимодействия между собой? Чем еще могут влиять два тела
друг на друга при контакте, кроме взаимодействия их атомов и атомов
примесей? Разумеется, ни чем, но взаимодействие атомов друг с другом не
линейно и зависит от расстояния меду ними. При уменьшении расстояния
между атомами до размеров характерных для твердых тел они, сначала,
начинают притягиваться, взаимодействуя на уровне внешних электронов. Силы
взаимодействия носят электростатический характер и определяются минимумом
энергии взаимного притяжения отталкивания. Составляющие силы трения,
обусловленные непосредственным взаимодействием атомов двух поверхностей,
иногда выделяют и называют адгезионными, обусловленными межмолекулярным
взаимодействием. Например, это могут быть электростатические силы, если
два вещества, вступающие в контакт, имеют ионные связи в кристаллической
решетке (трение двух кусков поваренной соли NaCl), или ковалентные, когда
внешние электронные орбиты соседних атомов обобществляются, как, например,
в молекуле водорода H2 и в молекулах полимеров (трение полиэтилена по
полиэтилену). Но при более близком сближении атомов начинают существенно
преобладать электростатические силы отталкивания между положительно
заряженными ядрами (чтобы соединить два ядра, нужны энергии, характерные
для ядерного взрыва). Поэтому при все большем росте прижимающей силы самые
большие неровности, которые первыми вступили в контакт, перегружаются, так
как атомы двух поверхностей в этих местах слишком сблизились. Их
деформация из упругой постепенно переходит в пластическую, а далее в
деформацию разрушения. Таким образом, чрезмерное увеличение нагрузки не
приводит к пропорциональному увеличению силы трения, а только приводит к
началу пластической деформации отдельных участков поверхности, а далее к
началу их разрушения. Продукты разрушения дополнительно ухудшают
взаимодействие двух поверхностей и снижают силу трения (уменьшается ФПК).
По вышеизложенным причинам с ростом нагрузки коэффициент трения покоя
начинает уменьшаться, и фактически для каждой системы соприкасающихся
поверхностей всегда имеется предел максимально достижимой силы трения
покоя. У шин эта сила, вероятно, сравнима с величиной их допустимой
максимальной нагрузки. При эксплуатации автомобиля с максимально
разрешенной массой на одну шину обычно приходится менее половины ее
максимальной нагрузки, а в момент переноса почти всего веса на одну пару
шин во время предельного прохождения поворотов, или при экстренном
торможении, нагрузка на шины в этой паре может приближаться к максимально
допустимой. Общее сцепление с дорогой, т.е. суммарная сила трения, будет
падать, так как сила сцепления шин с дорогой по вышеизложенным причинам
растет медленнее, чем нагрузка (не по формуле Fтр макс.= м * N), или , что
то же самое, коэффициент трения м будет заметно уменьшаться для
нагруженных колес, не увеличиваясь для разгружаемых. На практике до
предела загруженный автомобиль тормозит хуже, чем пустой.
Иногда в литературе по гоночному вождению приводятся данные о коэффициенте
трения м порядка 2 и более. Такие значения получаются формально, когда м
приводится к весу покоя автомобиля, а не к силе прижимающей автомобиль к
поверхности (динамическому весу), которая выше статического веса за счет
прижимной силы аэродинамических приспособлений. Если при этом посчитать м
как м = Fтр/N, где N истинная прижимная сила, действующая на колеса, то
значения м также не превысят 1.
Но это еще только половина того, что следует знать о трении применительно
к шинам (мы разобрали только силу трения покоя). Дело в том, что шина при
качении не может обходиться без проскальзывания, даже при прямолинейном
равномерном движении. Почему так происходит, будет разобрано далее.
При проскальзывании идет деформация материалов внутри и вокруг зоны
контакта, происходит разрушение межповерхностных связей, для чего
расходуется энергия. На скользких и сыпучих поверхностях вклад
деформационной составляющей трения оказывается сравнимым, а порой и
превосходящим составляющую трения покоя. Деформационными составляющими
трения считаются пропахивание, пропахивание с адгезией и микрорезание. При
этом предполагается, что неровности более твердой поверхности пропахивают
или подрезают более мягкую поверхность, образуя дорожки трения (царапины).
Именно поэтому шина с глубоким рисунком протектора на снегу или песке
тянет лучше слика (шины без канавок), хотя формально коэффициент трения
покоя у этих шин одинаковый, а максимальная ФПК у слика даже больше. Рост
трения обусловлен тем, что глубокие канавки совершают работу по деформации
связанную с выбрасыванием грунта или снега. Также благодаря деформационной
составляющей трения оказываются эффективны шипы на льду. Шипы работают
лучше при жестком протекторе. Это вероятно происходит потому, что ФПК
протектора за счет выступания шипов уменьшается, что вызывает многократное
увеличения давления в местах касания шипов. При большом локальном давлении
шипы легко врезаются в лед, а далее начинает преобладать деформационная
составляющая трения (пропахивание и микрорезание). При более мягком
протекторе ФПК у шипованной шины возрастает в разы, и локальное давление в
местах шипов пропорционально падает. Шипы при недостаточном локальном
давлении не могут врезаться. Работает в основном межмолекулярное
взаимодействие поверхностей, при котором коэффициент трения метала по льду
очень мал. Шипы на мягком протекторе начинают работать как коньки ? плавят
лед и скользят по пленке. Из этих соображений на зиму всегда ставят более
узкие шины, так как часто оказывается нужна не максимальная ФПК, а
максимальная деформационная составляющая трения.
При качении колес возникают особенности, из-за которых резкая граница межу
силой трения покоя и силой трения скольжения размываются, так как при
движении колеса всегда присутствует явление частичного проскальзывания.
В связи с этим также имеет место постоянный износ колес. Как это
происходит? Участки у набегающей части протектора сжимаются, а у сбегающей
части разжимаются и восстанавливают свою форму. Рассмотрим этот процесс на
примере отдельно взятого элемента. Представьте себе небольшой участок
протектора, пусть для простоты он будет иметь форму кубика. Когда ?кубик?
прижимается к поверхности дороги, то он деформируется, становится ниже и
шире, его верхняя грань прикреплена к протектору и она только
деформируется вместе с ним, а боковые стараются раздуться в стороны.
Нижняя же грань прислонена к дороге, и при расширении она начинает
проскальзывать в направлениях от центра пятна контакта (как бы
распушаться). Когда же нагрузка снимается, то грань восстанавливает свои
размеры, проскальзывая уже в обратную сторону, боковые грани при этом
втягиваются к центру кубика. Моделирование таких процессов деформации
описано в [Автомобильные шины О.Б. Третьяков, стр. 174-177]. Кроме такого
постоянного микро проскальзывания при движении шины по поверхности
возникает и обычное проскальзывание, или пробуксовка, когда уже все части
протектора проскальзывают в одну сторону при разгоне, торможении или
прохождении поворота. Все эти виды проскальзывания влияют на
деформационную составляющую трения. При любом проскальзывании совершается
механическая работа и затрачивается энергия. Так приведенные выше пример
микро проскальзывания увеличивает сопротивление качению, но зато улучшает
свойства торможения шины (здесь речь идет о рабочем режиме торможения без
доведения шин до режимов частичной пробуксовки).
В формуле силы трения Fтр макс.= м * N отсутствует привязка к направлению
(конечно коэффициент трения м, ак мы уже знаем - это не постоянная, а,
зависимая от нескольких факторов величина). Поэтому суммарная сила трения
может действовать и в направлении движения колеса (если машина разгоняется
или тормозит) и в перпендикулярном направлении (если автомобиль движется
по окружности), а также может быть направлена под некоторым углом к
направлению движения, если автомобиль разгоняется или тормозит на дуге.
Выше описанные особенности качения колес с частичным проскальзыванием
оказывают существенное влияние на управляемость автомобиля. Например, при
движении по дуге и наличии боковой силы колеса, при частичном
проскальзывании, катятся уже не точно туда, куда они направлены. Угол
между направлением плоскости колес и направлением фактического движения
называют углом увода колес. Машина в таких режимах теряет часть
управляемости. Чем больше процент проскальзывания, тем больше угол увода
колес, тем больше потеря управляемости.
Главное, что нужно знать ? шина не может передать больше нагрузки, чем
позволяет сила трения. Максимальная сила трения Fтр макс.= м * N может
быть использована либо на разгон, либо на удержание в повороте на
минимальном для данной скорости радиусе, либо может использоваться
частично для разгона, а частично для движения по дуге, тогда радиус дуги,
на которой машина еще способна удерживаться будет больше, чем в случае
равномерного движения по дуге. Для наглядности и лучшего понимания в связи
с этим было введено понятие окружности предельных сил сцепления [Новая
книга о шинах, К. Бакфиш, стр. 161-167].

С уваженим,
Владимир.

ПОСЛЕДНИЕ СТАТЬИ

СТРОИТЕЛЬСТВО АВТОДРОМОВ. МОНИТОРИНГ НА 20 апреля 2009 года. МИРОВОЙ ФИНАНСОВЫЙ И ЭКОНОМИЧЕСКИЙ КРИЗИС ВНЁС СВОИ КОРРЕКТИВЫ В СТРОИТЕЛЬСТВО АВТОДРОМОВ. ИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПРОЕКТОВ ЕСТЬ ТОЛЬКО НЕСКОЛЬКО, НЕ ТРЕБУЮЩИХ ЗНАКОВ ВОПРОСА! СРЕДИ НИХ АВТОДРОМ «SMOLENSK RING» ( На фото), который будет достроен к следующему летнему сезону! ПРОЕКТЫ СТРОИТЕЛЬСТВА АВТОДРОМОВ В РОССИИ, СНГ ( и в бывшем СССР): 1. ??? НЕТ ИНФОРМАЦИИ. В Тольятти ( Сосновка). Стадия - проектирование. 2. ??? В Санкт-Петербурге (Стадион). Стадия – неясность. Вокруг стадиона КИРОВА ТРАССЫ однозначно НЕ БУДЕТ! На трассу в новом месте выделенных бюджетом города денег не хватит! Рассматриваются альтернативные коммерческие варианты. 3. ???НЕТ ИНФОРМАЦИИ. В Беларуссии под Минском ( село Щзерище). Стадия - проектирование. 4. ???В Крыму в районе Западного обхода Краснодара ( Сакский район ). Формула 1. Проект Тильке. Стадия - проектирование. Известен ещё один готовящейся проект инициативной группы. Стадия – переговоры с инвесторами. 5. В Казахстане ТОО «Казахстан Мотор Сити», недалеко от аэропорта Астаны будет построена трасса для Формулы 1. В проект будет инвестировано около 300 млн. долларов США. Трасса по своей протяженности будет одной из самых длинных в мире – 5 452 метра. По словам исполнительного директора «Казахстан Мотор Сити» Максима Трифачева, она представляет собой сложное кольцо, имеющее до 10 модификаций (трасса может быть переделана в кольца с различной протяженностью примерно от 1 до 5 км). Средняя скорость прохождения трассы автомобилем класса DTM – примерно 164 км/ч.

налог при продаже автомобиля Как не платить налог при продаже авто? Как же всё сложно и запутанно. Не огорчайтесь, закон содержит и положительные моменты. Рассмотрим их. В соответствии со ст. 220 НК РФ налогоплательщик имеет право на получение имущественных налоговых вычетов. Так, если Имущество (автомобиль) находилось в собственности налогоплательщика три года и более – имущественный налоговый вычет будет равен продажной стоимости этого имущества. То есть, если после продажи автомобиля у вас на руках остались документы (справка-счёт, договор купли-продажи), которыми подтверждается стоимость проданного автомобиля – ваш доход НДФЛ не облагается и в данном случае НДФЛ не уплачивается. Кроме того, если имущество (автомобиль) находилось в собственности менее трех лет, то имущественный налоговый вычет предоставляется в сумме продажной стоимости, но не более 125000 рублей. То есть, если автомобиль был куплен дороже той цены или за ту же цену, за которую продан (не забудьте приложить к декларации документы, подтверждающие цену покупки автомобиля) – НДФЛ также не начисляется.

ТОНКАЯ НАСТРОЙКА ГОНОЧНОЙ МАШИНЫ. Основы правильной настройки.Перераспределение веса и центр тяжести. Регулировка тормозного баланса. Мой любимый гонщик, трехкратный чемпион мира Ники Лауда, отвечая на вопрос о секрете его побед, один раз сказал так: «На аналогично настроенном автомобиле я не смогу ехать быстрее, чем любой гонщик мирового уровня, поскольку мы все едем на пределе возможного. Выигрывает тот, кто лучше настроил автомобиль, а значит, много работал и думал». Для чего настраивают ходовую часть автомобиля? Для того, чтобы улучшить его поведение на скорости, сделать его быстрее. Однако добиться этого вам удастся только в том случае, если вы будете чувствовать разницу между реальностью и мифами, которых, когда дело доходит до настроек, оказывается множество. Действительно, в этом деле есть масса нюансов. Но мы будем говорить о базисных положениях, которые верны для любой гоночной машины, независимо от ее типа, формулы привода или мощности. Зная и применяя эти принципы на практике, можно научиться настраивать любой автомобиль.