Pranevich Ihar

При движении велосипеда по ровной твёрдой поверхности возникают силы сопротивления качению (силы трения качения), направленные в сторону, противоположную вектору скорости, и приводящие к дополнительным энергозатратам велосипедиста. Появление сил трения качения объясняется, в основном, деформациями шин с воздухом при контакте колеса с дорогой.
Приближённо шину можно представить как совокупность расположенных в радиальном направлении между ободом (диском) и покрышкой пружин (их длина равна высоте воздуха в шине). Окружность колеса можно разбить на пружины шириной x; при длине окружности l= 2,16 м продольный размер пятна контакта при массе велосипедиста с велосипедом m= 80 кг равен x= 0,06 м, поэтому число таких пружин N= l/x= 2,16/0,06= 36. На расстоянии 1 м колесо совершает f=0,46(1/м) оборота; cчитается, что при вращении колеса пружины одна за другой деформируются, на деформацию одной пружины затрачивается энергия, величина которой (при прочих равных условиях) зависит от формы обода велосипеда.
Для экспериментов использовались два типа клинчерных ободов примерно одинаковой внутренней ширины (19- 20 мм): (1)- двустенный, неглубокий, ближе к трубчатому сечения; (2)- одностенный, глубокий, коробчатого сечения. В практически сликовых шинах 622- 32 мм давление воздуха составляло 6,2·10⁵ Па; предполагалось, что на заднее колесо приходится n₁= 0,6, а на переднее- n₂= 0,4 общего веса.
Статический прогиб шины заднего колеса велосипеда составил на ободе (1) h₁₁= 1,7 мм, на ободе (2) h₁₂= 2,8 мм. Величина силы, нагружающей заднее колесо, F₁=mgn₁=80·9,8·0,6=470 Н. Жёсткость пружины по закону Гука для обода (1) k₁= F₁/h₁₁= 470/0,0017= 2,76·10⁵ (Н/м), для обода (2) k₂= F₁/h₁₂= 470/0,0028= 1,68·10⁵ (Н/м). Работа, затрачиваемая на деформацию пружины, для обода (1) равна A₁₁= k₁·(h₁₁)²/2= 2,76·10⁵·(0,0017)²/2= 0,40 Дж, для обода (2) A₁₂= k₂· (h₁₂)²/2= 1,68·10⁵·(0,0028)²/2= 0,66 Дж. При скорости движения велосипедиста v=5,56 м/с (20 км/ч) мощность силы трения для обода (1) P₁₁= A₁₁Nvf= 0,40·36·5,56·0,46= 37 Вт, для обода (2) P₁₂= A₁₂Nvf= 0,66·36·5,56·0,46= 61 Вт. Если радиус колеса r= 0,34 м, то коэффициент трения качения по закону Кулона для обода (1) η₁₁=(P₁₁r)/(F₁v)= (37·0,34)/(470·5,56)= 4,8·10^-3 м, для обода (2) η₁₂=(P₁₂r)/(F₁v)= (61·0,34)/(470·5,56)= 7,9·10^-3 м.
Для переднего колеса прогиб шины на ободе (1) h₂₁= 1,1 мм, на ободе (2) h₂₂= 1,9 мм. Величина силы, нагружающей переднее колесо, F₂=mgn₂=80·9,8·0,4=314 Н; жёсткости пружин соответствуют ободам (1) и (2) заднего колеса. Работа, затрачиваемая на деформацию пружины, для обода (1) равна A₂₁= k₁·(h₂₁)²/2= 2,76·10⁵·(0,0011)²/2= 0,17 Дж, для обода типа (2) A₂₂= k₂· (h₁₂)²/2= 1,68·10⁵·(0,0019)²/2= 0,30 Дж. Мощность силы трения для обода (1) P₂₁= A₂₁Nvf= 0,17·36·5,56·0,46= 16 Вт, для обода (2) P₂₂= A₂₂Nvf= 0,30·36·5,56·0,46= 27 Вт. Коэффициент трения качения для обода (1) η₂₁=(P₂₁r)/(F₂v)= (16·0,34)/(314·5,56)= 3,1·10^-3 м, для обода (2) η₂₂=(P₂₂r)/(F₂v)= (27·0,34)/(314·5,56)= 5,3·10^-3 м.
Велосипед на ободах (1) за счёт действия сил трения качения теряет мощность P₁= P₁₁+P₂₁= 37+16= 53 Вт, на ободах (2) P₂= P₁₂+P₂₂= 61+27= 88 Вт; разность затрат мощности составляет ΔP= P₂- P₁= 88-53= 35 Вт.
Увеличение скорости движения прямо пропорционально увеличивает мощность потерь, для сокращения их необходимо уменьшать в шине высоту воздуха и повышать его давление.