Как размер шины влияет на торможение

Опубликовано: 14.05.2024

Процесс торможения на велосипеде — процесс преобразования кинетической энергии объекта велосипедист-велосипед в тепловую энергию. Тут, я думаю, споров, как в статье про трансмиссию , не будет, и все согласятся, что во время торможения греются тормозные колодки, диск (или тормозная дорожка на клещевых тормозах), резина и асфальт. Главным преобразователем энергии в этом процессе будет трение.

Но мы тут с тормозным путём пришли разбираться, так что давайте начнём с него.

Первый лагерь заявляет :

Второй лагерь доказывает обратное:

Что говорит школьная физика?

На школьные учебники в первую очередь ссылаются приверженцы первого лагеря. Школьная кинематика говорит нам, что тормозной путь S, или путь до полной остановки, вообще в целом ни от чего не зависит, кроме скорости движения и будет пропорционален квадрату начальной скорости. В знаменателе одни константы.

Коэффициент трения в данном случае зависит только от характеристик соприкасающихся поверхностей и ни от какой ширины шин или массы не зависит. Это сложно осознать, но с этой точки зрения, в отсутствии технических ограничений, на одном и том же участке дороги велосипедист-горняк массой 60 кг будет тормозить ровно столько же, сколько и 120-килограммовый мужик с туристическим баулом, при условии что они будут использовать одинаковую резину и тормоза.

Эта формула появляется из трёх других формул: пути при равноускоренном движении, второго закона Ньютона и закона Кулона.

Сил на самом деле не одна

Казалось бы, на этом пора расходиться, но тут подключаются скептики из второго лагеря:

Формула Кулона для тормозного пути транспортного средства применяться не может, так как закон Кулона описывает силу трения покоя. А сила трения покоя — сила, возникающая на границе

На это у первого лагеря есть контраргумент. Это тоже выглядит немного странно, но когда колесо вращается, точка контакта относительно асфальта находится в покое, и на него действует сила трения покоя. Без приколов. При этом, если колесо полностью блокируется тормозами, то сила трения покоя сменяется силой трения скольжения, а коэффициент трения скольжения меньше коэффициента трения покоя. Вот поэтому крутящиеся колёса тормозят быстрее, чем полностью заблокированные — на этом принципе основана работа антиблокировочной системы автомобиля.

Вообще, с точки зрения физики, сила трения может быть трёх видов:

Сила трения покоя;
Сила трения скольжения;
Сила трения качения.

Сила трения от площади контакта никак не зависит, давайте разбираться с другими силами.

Сила трения скольжения появляется, когда суммарная сила, приложенная к телу превышает силу трения покоя и тело начинает двигаться.

В итоге этого диалога остаётся только одна сила — сила трения качения, к ней и апеллирует второй лагерь . Там точно должно что-то быть.

На вышеуказанном рисунке N — сила нормального давления, r — радиус колеса, b — расстояние между теоретической точкой опоры шины и фактической первой точкой встречи шины с поверхностью, по которой проходит перемещение. В силе нормального давления тоже никакой площади нет (N = mg) — она равна произведению массы на ускорение свободного падения.

И вот тут представители первого лагеря ликуют и все расходятся. или нет?

Истина где-то рядом

Давайте глянем, откуда берётся сила трения качения. Трение качения — сопротивление движению, возникающее при перекатывании тел друг по другу. Причина трения качения — деформация катка и опорной поверхности, а также силы адгезии.

Адгезия — непростое явление, которое на физике в школе обычно детально не рассматривают. Адгезия — сцепление поверхностей разнородных тел обусловленное межмолекулярными взаимодействиями в поверхностном слое. Характеризуется удельной работой, необходимой для разделения поверхностей. И когда вы начинаете разбираться с адгезией, то вдруг выясняется, что резина вашего велосипеда, сколько бы вы в неё не накачали атмосфер — не твёрдое тело, а эластомер, и в реальности ведёт она себя абсолютно не так, как в идеальной системе.

Исследованиями по теме занимается целый Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского Российской академии наук, а про модели и эксперименты, к примеру, можно почитать тут . Оказывается, что в силу различных процессов, пятно сцепления большей площади действительно будет тормозить лучше, с условием, что резина не будет переохлаждена.

На практике, к такому же выводу пришли ребята из Global Cycling Network, в чём можно удостовериться в их видео.

На скорости 30 км/ч, а это где-то и есть средняя скорость на небольшом спуске в черте города, с которой приходится тормозить, разница между тормозным путём 25-ой и 32-ой резины составила чуть больше метра: 914 см против 812 см.

Установка шины другого размера не проходит бесследно для автомобиля. Нужно знать, что это воздействует на тормозные и тяговые характеристики, на расход топлива, выбросы в атмосферу и трансмиссию Вашего автомобиля. Из соображений безопасности при замене шин, рекомендованных производителям автомобиля необходимо выдерживать минимальное отличие по внешнему диаметру шин.

Основной вопрос состоит в подборе ширины профиля шины. Низкопрофильный комплект шин с уменьшенной высотой боковин будучи внешне привлекательным влечет за собой более жесткое поведение автомобиля. Не забывайте также соответственно изменить и ширину обода Ваших колес для достижения оптимального поведения автомобиля на дороге.

Увеличение внутреннего диаметра	Увеличение ширины профиля (ширина шины)	Увеличение ширины обода
Дизайн	улучшится	улучшится	улучшится
Удержание дороги	улучшится	улучшится	улучшится
Точность рулевого управления	улучшится	улучшится	улучшится
Сцепление шин на сухом дорожном покрытии	без изменений	улучшится	без изменений
Сцепление шин на влажном дорожном покрытии	без изменений	без изменений	без изменений
Устойчивость к аквапланированию	ухудшится	ухудшится	без изменений
Комфорт и шум	ухудшится	ухудшится	ухудшится
Расход топлива	без изменений	увеличится	увеличится
Износ шин	без изменений	увеличится	без изменений

Самое заметное отличие в управлении Вашим автомобилем - это более точное рулевое управление и более точное прохождение поворотов. Благодаря увеличению площади контакта шины с дорогой, поведение Вашего автомобиля становится менее чувствительным к переменам типа дорожного покрытия. Тюнинг шин с одной стороны дает Вам эмоциональный заряд и удовольствие от вождения автомобиля с более точным рулевым управлением, но с другой стороны уменьшает амортизацию неровностей дорожного покрытия.

Решил поделиться, так сказать, накопленным опытом по работе тормозов и шин на треке и объяснить как чего просто на пальцах.

Основные вопросы которые хотелось бы прояснить:
—Как автомобиль тормозит?
-Как сделать тормозной путь короче?
-Какой тюнинг тормозов имеет смысл?
-На что влияет ширина резины?

Как автомобиль тормозит?

Я тут выяснил, что одна знакомая девушка думала, что когда жмешь на тормоз из автомобиля вылезают железки и корябают по асфальту и таким образом автомобиль замедляется.
Я думаю, большинство прекрасно представляет себе как выглядят тормозные механизмы поэтому спускаться на уровень объяснения устройства я не буду.
Тем не менее, как выясняется, редко кто может объяснить, что же происходит когда водитель жмет на тормоз. Основное заблуждение большинства людей состоит в том, что автомобиль тормозит исключительно благодаря прилеганию колодок к тормозным дискам.
Следовательно, что бы уменьшить тормозной путь нужно увеличить размер дисков и колодок, думает большинство.
Отчасти это действительно так: колодки прилегают к диску, рассеивая в виде тепла энергию движения автомобиля.
Стало быть улучшить характеристики торможения просто — давайте рассеем как можно больше тепла? Понятно, что при этом нам понадобиться охлаждать тормозные механизмы, подбирать колодки из высокотемпературных материалов, увеличивать размеры тормозных дисков для лучшего рассеивания этого тепла и т.д.
Но есть ли ограничения? Почему бы не сделать тормозные механизмы которые рассеивают ОЧЕНЬ МНОГО тепла и останавливают автмобиль со 100 км/ч, например за 5 метров?
Оказывается, у нас есть ограничения на этот счет. И вот какие: автомобиль держится за поверхность земли четырьмя заплаточками размером с ладонь — это поверхность колеса, пятно контакта колеса с дорогой. Так вот, замедление может происходить ровно до тех пор, пока резина цепляется за поверхность. Резина же, в свою очередь, цепляется за поверхность благодаря силе трения. Как только тормозные механизмы разовьют усилие настолько большое, что резина заблокируется, колесо перестанет крутиться и автомобиль поедет прямо, плавя резину и оставляя черные полосы на асфальте.
Следовательно, мы имеет как бы две чаши весов. На одной чаше пара колесо/асфальт, на другой чаше колодка/диск. Нажав педаль тормоза, мы должны обеспечить такое сцепление у пары/колодка диск, что бы пара "колесо, цепляющееся за асфальт" находилось бы на грани блокировки (в идеале должна быть 10% блокировка, которая обеспечивает минимальный тормозной путь)
Таким образом, мы можем поставить какие угодно крутые диски с колодками, но, увы, как только резина заблокируется, с этого момента их работа заканчивается.

Как же сделать тормозной путь короче
Тут ситуацию нужно разбить на те же два момента:
1. Если у нас тормозные механизмы настолько ужасны, что мы не можем достигнуть частичной блокировки колеса, то нам нужно улучшать сами тормозные механизмы. На самом деле, обычно, стандартные колодки с дисками работают "на ура" даже на древних жигулях, обеспечивая движение на грани блокировки для машины на стандартной резине.
Но есть пара проблем. а) если затормозить с высокой скорости 10 раз подряд (что происходит на треке) эффективность торможения может настолько упасть, что колесо заблокироваться не сможет и тормозной путь сильно увеличиться. б) если мы поставим резину с более высоким уровнем сцепления (например трековый полуслик), то она разовьет такой уровень сцепления с дорогой, что колодки могут превысить свой потенциал и рассеять так много энергии, что перегреются, коэффициент их сцепления с тормозным диском сильно упадет и тормозной путь увеличиться.
В простом случае можно взять просто высокотемпературные колодки и проблема перегрева будет решена. Но иногда (обычно это связано с серьезным повышением мощности или использованием гоночной резины) может потребоваться и увеличение диаметра тормозных дисков и подведение к ним всевозможных обдувов. Но повторюсь, в этом есть смысл, только когда колодки выходят из своего температурного режима в процессе движения по треку. Тормозной путь это никак не уменьшит, но повлияет на постоянство торможения — тормозной путь не будет ухудшаться из-за перегрева.

Главное, как можно уменьшить тормозной путь — это увеличить сцепление колес с дорогой, а это зависит у нас только от коэффициента трения асфальт/резина. асфальт увы мы поменять никак не можем, в то время как резину — пожалуйста. Ставим резину с большим коэффициентом сцепления и тормозной путь может существенно снизиться.
В большинстве случаев, чем более скоростная резина, тем большим коэффициентом сцепления она обладает. Если рассматривать резину из топовых линеек производителей колес — она и будет лучшей. Гоночная и полугоночная резина стоит здесь особняком. Конечно, коэффициент сцепления у нее значительно выше, но есть одна особенность — этот коэффициент достигает сколько нибудь нормальных значений, только когда резина входит в правильный температурный диапазон. Проще говоря, нагревается, скажем, градусов до 70-90. Если автомобиль эксплуатируется в городе, то смысла надевать такую резину нет. Она не прогреется, а в холодном состоянии коэффициент сцепления будет меньше чем у большинства хороших гражданских моделей. Зато на треке, когда на автомобиле можно ехать быстро, тормозить с высоких скоростей, проходить повороты на высоких скоростях, резина действительно прогреется до рабочей температуры и начнет держать так, что если тормозные механизмы справятся, то остановит автомобиль со 100 км/ч метров, скажем, на 10 меньше чем обычная.

Какой тюнинг тормозов имеет смысл?
Страшно не люблю слово тюнинг, потому как в русском варианте это, обычно, означает- "накуплю плюшек для машины и будет счастье". На деле Tuning означает "настройка", в чем легко можно убедиться настраивая каналы в телевизоре или настраивая радиочастоты в магнитоле. С тюнингом тормозов тоже самое.
Я бы нарисовал вот такой алгоритм тюнинга:
1. Обслуживаем тормоза (жидкость, проверка дисков, колодок, суппортов и замена всего, что необходимо).
2. Тестируем в нужных условиях эксплуатации (например, на треке), предварительно обув автомобиль в покрышки на которых собираемся ездить в дальнейшем.
4. Если эффективность торможения падает в наших условиях эксплуатации, пробуем подобрать высокотемпературные колодки.
5. Если все способы перепробованы, но тормозов по прежнему не хватает для торможения с высоких скоростей или для сохранения неизменности тормозного пути, то организивываем обдув тормозных механизмов. Можно попробовать облегчить автомобиль (вытащить мешок с картошкой из багажника)
6. Если ничего не помогает — увеличиваем диаметр тормозных дисков. Update. Крайне просят еще и про суппорта большего размера написать. Да, большая колодка тоже будет сжирать больше тепла и меньше перегреваться.
7. Если совсем ничего не помогает -меняем материал тормозных дисков.
8. Если и после этих мучений тормозов мало, значит тяжелый автомобиль с избыточной мощностью эксплуатируется в режиме, который для него не подходит. Надо сменить либо режим эксплуатации, либо автомобиль :)))

На что влияет ширина резины.
Напоследок хочется сказать еще пару слов о силе трения. Как известно из курса физики сила трения у нас не зависит от площади соприкасаемых поверхностей, а зависит только от материала соприкасаемых материалов.
Таким образом, намерения увеличить трение пар колодка/диск или колесо/асфальт засчет увеличения площади оных ни к чему не приведет.
Но почему же тогда все говорят о пресловутом пятне контакта и хотят обеспечить бОльшую площадь контакта у мощных автомобилей.
Ответ на самое деле прост, но не лежит на поверхности. Дело в том, что коэффициент сцепления сильно зависим от температуры резины. Резина разных назначений цепляется с максимальным коэффициентом в некоторых диапазонах температур.
Например, вы можете поставить обычнейшую резину которая эффективно работает при температуре, скажем, 50 градусов. При интенсивном движении или замедлении ее можно догреть, скажем, до 60 градусов, и коэффициент ее сцепления упадет. Если у той же резины увеличить ширину, то ее теплоемкость вырастет. Кроме того, она станет более эффективно охлаждаться набегающим потоком воздуха. В итоге, даже при интенсивном движении она будет держаться в нужном диапазоне температур и не перегреваться. Но тут нужно понять, что держак у резины не увеличиться засчет ширины. Она просто будет сохранять стабильную температуру при интенсивных нагрузках и будет стабильно сохранять свой коэффициент сцепления.
Другое дело, если сменить резину на другую с более высоким коэффициентом сцепления. Тут и тормозной путь уменьшиться и боковые ускорения в повороте увеличатся. Так что путь уменьшения тормозного пути прост — покупаем резину. А что если купить скажем полуслик, да еще и увеличить его ширину, так что бы уж совсем было бы хорошо. В этом случае мы можем упереться в прямо противоположный эффект. Полуслик(а слик и тем паче) имеет совсем другой рабочий диапазон температур, когда максимальный коэффициент сцепления генерируется при температурах, например, 70-90 градусов. Увеличив ширину резины сверх меры, мы можем в результате просто не выйти на этот температурный режим. Нагрев будет поглощаться большей площадью пятна контакат, Кроме того, воздух будет обдувать широкую резину в большей степени и также ее охлаждать. В итоге, можно прийти к тому, что, как не старайся, больше 60 градусов температура покрышки не поднимается, а это значит, что, в итоге, мы получим меньший коэффициент сцепления, чем если бы поставили покрышку Уже, и прогрели бы ее до нужной температуры.
Подытожу. Ширина резины влияет на распределения температуры в пятне контакта, и как следствие этого — на коэффициент сцепления. Таким образом и тут нужна тонкая настройка.
Нет смысла ставить огромные тормоза, самую лучшую и самую широченную резину. Речь даже не о вложенных средствах, а о том, что в результате автомобиль может получиться медленнее чем мог бы быть, будь его тормозные механизмы меньше и легче, колеса меньше и легче, да к тому же с недогревающейся блокирующейся резиной.

Вот как-то так)
Надеюсь, окажется полезным.

UPD. После некоторых раздумий, добавлю сюда, что отчасти согласен с Matik'ом по поводу дорожной резины на треке — она бенально перегревается с пол тычка, поэтому что бы она как-то охлаждалась, наверное, действительно имеет смысл ставить ее максимально широкую. Но, повторюсь это имеет значение только на треке. В городе ничего не изменится.

Автомобилисты часто спорят, какие шины лучше: широкие или узкие. Ведь от ширины зависит управляемость и курсовая устойчивость автомобиля, сцепные свойства покрышки.

Широкие низкие автопокрышки смотрятся эффектно и отличаются практичностью. Узкие показывают стабильное поведение на мокрой дороге и преимущественно используются зимой.

Но как узнать, резина узкая или широкая? Для этого необходимо обратить внимание на маркировку, которая наносится на боковую часть покрышки.

Стандартная маркировка выглядит ‘195/65 R 14 91V’ и расшифровывается так:

195 – ширина покрышки при нормальном давлении в соответствии с рекомендациями производителя. Измеряется в миллиметрах.
65 – цифра указывает на профиль резины. Измеряется в процентном соотношении высоты профиля от ширины резины.
R – маркер указывает на конструкцию шины. R – радиальная резина.
14 – диаметр колесного диска. Измеряется в дюймах.
91 – индекс нагрузки на покрышку. Чем меньше цифра, тем меньший вес способно выдержать колесо.
V – маркер обозначает максимально допустимую скорость для шины.

Ширина шины – расстояние между боковыми частями покрышки от края до края. При этом давление в покрышке должно быть оптимальным.

Для обеспечения безопасного и комфортного вождения ширина профиля не должна превышать ширину обода на 30%. Это необходимо учитывать, если вы решили поставить резину шире, чем рекомендовано производителем.

Важно . При установке слишком широкой резины происходит ее саморазбортировка. Во время резкого поворота такая покрышка может порезаться о собственный диск.

Можно ли поставить шины шире, если это не предусмотрено производителем? В этом случае нет. Устанавливают только рекомендованные модели / размеры резины. В инструкции по эксплуатации автомобиля указаны максимальные и минимальные значения. Самая большая цифра – это максимально допустимая ширина, а самая маленькая – минимально допустимая ширина.

На что способна повлиять ширина покрышки:

Летом широкая резина предпочтительнее узкой. Такие покрышки подходят для агрессивной активной езды на повышенных скоростях. Широкие шины лучше тем, что препятствуют пробуксовке колес во время старта. Они также меньше нагреваются при скоростной езде. Если вы предпочитаете спокойный стиль вождения, не делаете резких перестроений на скорости, устанавливайте стандартную резину.
Узкие шины покажут себя лучше широких в зимний сезон. Такие покрышки легко преодолеют замерзшую колею, прорежут себе путь по снегу. Узкая резина также позволяет снизить расход топлива.

Узкие и широкие шины: отличия

От ширины покрышки зависит уровень комфорта, безопасность, управляемость автомобилем, а также его внешний вид.

Широкие покрышки увеличивают сопротивление качению, что приводит к большему расходу топлива. Если говорить о том, какие шины лучше шире или уже в плане эстетики. То тут выигрывает широкая резина. Она смотрится презентабельно, сразу меняет восприятие автомобиля.

Отличия кроются и в стоимости. Узкие покрышки стоят дешевле. Они популярнее. Узкая высокопрофильная резина выпускается в большом количестве, что и снижает ценник. А вот низкопрофильные широкие покрышки подойдут не для каждого автомобиля.

Плюсы и минусы широкой резины

Положительно влияют на разгон автомобиля. Препятствуют пробуксовке при резком старте.
Обеспечивают эффективное торможение на сухом и мокром асфальте.
Повышают курсовую устойчивость, маневренность машины на резких поворотах.
Идеально подходят для езды в условиях грунтовых дорог и бездорожья.
Смотрятся солидно, улучшают внешний вид машины.

Для быстрой загородной езды по трассе широкая резина будет предпочтительнее. Но при такой эксплуатации увеличивается риск аквапланирования.

На что обратить внимание:

Низкое сопротивление скольжению на мокрой дороге – риск эффекта аквапланирования.
Большой вес.
Высокая стоимость.

Плюсы и минусы узких покрышек

На зиму следует выбирать узкую резину, которая показывает стабильные тягово-сцепные свойства по сравнению с широкими покрышками. Такие шины обеспечивают высокое поверхностное давление на дорогу, устойчиво проходят снежную колею, справляются с отводом воды и объемных масс талого снега.

Узкие покрышки подходят и для тех, кто часто ездит за город, не увлекается скоростной ездой. Для малометражных автомобилей также предпочтительнее этот вид резины.

Сокращенный расход топлива.
Устойчивость к аквапланированию.
Эффективный отвод воды и грязи от пятна контакта.
Хорошая проходимость по снегу и льду.

На что обратить внимание:

Не подходят для экстремальной езды.
Перегреваются при движении на высокой скорости.
Требует максимальной аккуратности при вхождении в крутой поворот.

Подведем итог

Какая резина лучше – шире или уже – зависит от технических параметров вашего автомобиля, стиля вождения и рекомендаций производителя.
Зимой лучше себя ведет узкая резина, а летом – широкая. Узкие покрышки уверенно справляются с талым снегом и показывают хорошее сцепление на льду. Широкие устойчиво ведут себя на сухом асфальте и обеспечивают надежную маневренность.

Если вы затрудняетесь с выбором, опытные специалисты всегда помогут правильно подобрать модель покрышек для вашего автомобиля.

Является ли 17-дюймовая шина более комфортной, чем 18-я? Правда, что 19-е колесо шумное и больше подходит для спортивной езды? Давайте разбираться.

Чтобы все было честно, возьмем одну машину (Volkswagen Golf GTI) и три версии одной шины (Goodyear Eagle F1 Asymmetric 3) с размерностями 225/45 R17, 225/40 R18 и 225/35 R19. Тестировать покрышки будем на автодроме: замерим тормозной путь на сухом и влажном покрытии, проедем трассу на время, а также проверим каждую резину в условиях аквапланирования. Ах да, конечно же, обязательно обратим внимание на уровень шума, вибраций и плавность хода. Поехали!

Торможение и аквапланирование

Сколько ни старались, на сухом и влажном покрытии разница тормозного пути между 17-, 18- и 19-дюймовыми колесами оказалась в пределах всего одного процента. Похожие параметры были получены и после испытания на аквапланирование: шины практически на одной и той же скорости начинали терять сцепление с дорогой. Так что особой разницы нет. Может размерность сильнее повлияет на скорость и поведение машины в поворотах?

Скорость

Вот тут интересней. Как и ожидалось, по сухой трассе самой медленной оказалась 17-дюймовая шина, на втором месте - 18-я с выигрышем в одну секунду, а быстрейшей стала 19-дюймовая. Но как только трек полили водой, ситуация изменилась в обратную сторону: 19-дюймовая покрышка показала худшее время, затем 18-я и 17-я. Такой результат связан с тем, что 17-дюймовая шина при активной езде более подвижная. Поэтому каналы ее протектора сильнее расширяются и пропускают больше воды, обеспечивая дополнительный зацеп с асфальтом и выигрыш в скорости. Но, опять же, в гражданских условиях этого различия вы точно не почувствуете. Поэтому полученные данные, в принципе, можно приравнять.

Управляемость

Поскольку объективные данные очень близки, пришлось обратиться к субъективной оценке шин, чтобы найти хоть какие-то реальные различия. И, если между поведением 18-й и 19-й шины по факту разницы нет, то между 17-м и 19-м диаметром она очень ощутима. Там, где 17-дюймовая шина выглядела мягкой и слегка размазывала обратную связь, 19-я оказалась плотной и давала больше информации на поворот руля. Хоть, конечно, иногда и слишком нервно реагировала на “рулежку”. Именно поэтому и есть компромисс в роли 18-го колеса.

А что с комфортом?

Тут без особых сюрпризов. Машина с 17-дюймовыми шинами оказалась самой комфортной, а с приходом 18-х и 19-х колес на кочках автомобиль стал больше подпрыгивать и принимать на кузов дополнительные удары и неприятные вибрации. Особенно это чувствуется в задней части машины.

А вот результаты замеров уровня шума в салоне удивили. Автомобиль на 18-х колесах оказался тише, чем на 17-й размерности. А 19-е шины, кстати говоря, были не очень шумными, но все же в салоне от них явно больше гула, чем от младших братьев.

В итоге можно смело сказать, что посадочный диаметр шины не так сильно влияет на ездовые характеристики автомобиля. Просто тот, кто любит комфорт, выберет 17-е, любитель покрасоваться перед друзьями - 19-е, а 18-е положены тем, кто во всем ищет золотую середину.

Читайте также: