Трение качения в системе "колесо- дорога" - Дневники - Форум Velomania.ru
RSS лента

Pranevich Ihar

Трение качения в системе "колесо- дорога"

Рейтинг: 5.00. Голосов: 2.
Силы сопротивления качению оказывают существенное влияние при движении велосипеда, причём наибольшие потери энергии за счёт их действия происходят в системе "колесо- дорога".
Проводилось сравнение коэффициентов трения качения двух комплектов сликовых покрышек 23- 622 с металлическим кордом: одни с утончёнными стенками, другие, на 30% тяжелее, с обычными, давление составляло 7 атм.
Суть экспериментов заключалась в следующем: велосипедист съезжал с возвышенности (высотой 5 м, длиной около 200 м) с достаточно хорошим асфальтовым покрытием. Измерялся полный пройденный путь, считалось, что действует только сила сопротивления качению и её величина постоянна ввиду невысоких скоростей. Из законов сохранения энергии mgh=Fтрs, Кулона Fтр=(Кkmg)/r, где g=9,8 м/с2- ускорение свободного падения, r= 0,34 м- радиус колеса, получается выражение для коэффициента трения качения: Kk=(hr)/s. Для велосипеда, на колёса которого был установлен первый комплект покрышек, длина пути до остановки составила 393 м, второй- 443 м; среднее значение коэффициента трения в первом случае 0,00433 м, во втором- 0,00384 м.
Результаты экспериментов говорят о том, что более жёсткие колёса лучше катят по ровной твёрдой поверхности за счёт меньшего значения коэффицинта трения качения. Жёсткость колеса повышается из- за большей толщины стенок покрышек, которые можно рассматривать как пружины, вместе с воздухом в камере образующими систему параллельно соединённых пружин, жёсткость которой равна сумме жёсткостей отдельных. При вращении колеса шина с воздухом деформируется в месте пятна контакта. С точки зрения движения велосипеда как системы, в которой действуют внешние неконсервативные силы, эти деформационные потери энергии необратимы- один участок сжался, другой расправился, но на сжатие затрачивается энергия движения, которая при расправлении не возвращается в систему.
Для снижения потерь энергии движения необходимо повышать жёсткость системы "шина- воздух", чему могут способствовать: использование обода с неглубоким внутренним профилем, ободных лент большей толщины для уменьшения высоты воздуха с целью увеличения его упругих свойств; применение сликовых шин с более упругими боковыми стенками; увеличение давления в шине. При определённой внутренней ширине обода наименьший коэффициент трения качения будет достигаться при использовании возможно более узкой шины из рекомендуемого диапазона размеров. При данном поперечном размере шины минимальное значение силы сопротивления качению будет достигнуто при её установке на обод с возможно большей из рекомендуемых внутренней шириной.
Таким образом, оптимальный подбор шины и обода позволяет существенно уменьшить величину сил сопротивления качению при движении по ровной дороге с твёрдым покрытием.

Обновлено 29.11.2018 в 00:54 Pranevich Ihar

Метки: Нет Добавить / редактировать метки
Категории
Без категории

Комментарии

  1. Аватар для xelusss
    Подозреваю, что в горном велосипедизме, все не так просто... И благо оборачивается печалью!
  2. Аватар для Pranevich Ihar
    В горном велосипедизме величина сил сопротивления качению существенно зависит не только от выбора шины с ободом, но и от вида покрытия, по которому перемещается велосипед.
  3. Аватар для o_la_la
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    считалось, что действует только сила сопротивления качению и её величина постоянна ввиду невысоких скоростей
  4. Аватар для Pranevich Ihar
    При средней скорости 6 км/ч на спуске с возвышенности (с начала движения до полной остановки) сила аэродинамического сопротивления воздуха составляла примерно 0,5 (Н), поэтому, относительно 10 (Н) силы сопротивления качению, её величиной можно пренебречь и не учитывать при расчётах.
  5. Аватар для lookout
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    Для велосипеда, на колёса которого был установлен первый комплект покрышек, длина пути до остановки составила 393 м, второй- 443 м; среднее значение коэффициента трения в первом случае 0,00433 м, во втором- 0,00384 м.
    А каким был доверительный интервал замеров? Или спуски были однократными?

    А нет, не важно. Я думал что там диаметры были разными, поэтому цифры показались странными )
    Для разных покрышек это нормальная разница, бывает и гораздо больше - см. https://www.bicyclerollingresistance.com/
  6. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    Для велосипеда, на колёса которого был установлен первый комплект покрышек, длина пути до остановки составила 393 м, второй- 443 м; среднее значение коэффициента трения в первом случае 0,00433 м, во втором- 0,00384 м.
    Проводились эксперименты с покрышками 20- 622. Длина пути до остановки составила 477 м, значение коэффициента трения качения 0,00346 м.
  7. Аватар для ilyitsh
    Как всегда и в подавляющем большинстве экспериментов, выбор набора "прочих равных" сильно повлиял на результат. Лучше всего было бы привести серию измерений с разным давлением. Ну раз уж так захотелось кратко представить результат, то можно было бы выбрать одинаковым не давление, а, скажем, прогиб покрышек.
  8. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от ilyitsh
    Лучше всего было бы привести серию измерений с разным давлением.
    И на хорошем асфальте, и на стальном барабане результаты таких измерений известны: чем больше давление, тем меньше сопротивление качению.
    Цитата Сообщение от lookout
  9. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    Проводились эксперименты с покрышками 20- 622. Длина пути до остановки составила 477 м, значение коэффициента трения качения 0,00346 м
    Во всех предыдущих опытах шины устанавливались на обод 622- 13. С покрышкой 25- 622 на ободьях 622- 19 велосипед до остановки проехал 517 м, коэффициент трения качения оказался равным 0,00329 м.
  10. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    23- 622 с металлическим кордом: одни с утончёнными стенками
    Такие покрышки были установлены на ободья 622- 18, остальные условия проведения эксперимента близки к ранее описанным. Длина пути, пройденного до полной остановки, составила 430 м, коэффициент трения качения равен 0,00395 м.
  11. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    При определённой внутренней ширине обода наименьший коэффициент трения качения будет достигаться при использовании возможно более узкой шины из рекомендуемого диапазона размеров. При данном поперечном размере шины минимальное значение силы сопротивления качению будет достигнуто при её установке на обод с возможно большей из рекомендуемых внутренней шириной.
    Воздух в шине условно можно рассматривать как набор радиальных пружин, каждая из которых представляет упругое тело с площадью основания S, зависящую от внутренней ширины обода, и высотой h, модуль Юнга E которого равен давлению в ней, а жёсткость к= (ES)/h. При уменьшении ширины обода или увеличении размера покрышки уменьшается отношение S/h и, соответственно, жёсткость. Предполагается, что величина деформации x подчиняется закону Гука, и, при одной и той же величине деформирующей силы F и меньшей жёсткости, она будет больше x= F/k. А чем больше деформация покрышки, тем больше потери энергии на работу упругих сил. Боковые стенки шины образуют с содержащимся в ней воздухом параллельно соединённые пружины, а эта система с её центральной дорожкой- последовательно.
  12. Аватар для Pranevich Ihar
    Давление находящегося в шине воздуха на обод будет несколько большим в области её контакта с дорогой за счёт действия внешних сил, которые создают дополнительное давление,- обод локально деформируется, натяжение близлежащих спиц ослабевает; при данных условиях закон Паскаля не применим, так как нельзя пренебречь сжимаемостью воздуха.
    Обновлено 10.08.2020 в 21:55 Pranevich Ihar (внесение дополнений)
  13. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    с металлическим кордом
    Следует читать: "с металлическим бортировочным шнуром".
  14. Аватар для Pranevich Ihar
    Быстро оценить суммарную мощность сил трения качения колёс велосипеда можно следующим образом. Прикрепить безмен, используемый в качестве динамометра, спереди к велосипеду, прокатить его без ускорения по ровной поверхности, сняв показания и, умножив их на десять, получить значение силы f. Мощность сил трения качения при езде велосипедиста массой M на велосипеде массой m со скоростью v очень приблизительно (коэффициент трения качения увеличивается с ростом скорости и массы) определяется по формуле P= ((M+m)·f·v)/m. Пример: M= 75 (кг), m= 10 (кг), f= 1 (Н), v= 8 (м/c), Р= 68 (Вт).
  15. Аватар для Pranevich Ihar
    Жёсткое колесо менее подвержено деформациям под воздействием определённой нагрузки и перекатывается через мелкие неровности хорошей дороги, практически не теряя кинетическую энергию. Если более жёсткое колесо, держа в руке, отпустить с некоторой высоты на твёрдую поверхность, то оно после удара поднимется на существенно меньшую, так как запасает небольшую потенциальную энергию, которая в незамкнутой системе препятствует качению.
    Обновлено 15.04.2021 в 20:51 Pranevich Ihar
  16. Аватар для Pranevich Ihar
    Определение площади поверхности контакта между дорогой и шиной отношением приходящегося на колесо веса к давлению воздуха в ней не является корректным.
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar Посмотреть сообщение
    Из формулы F=P·S площадь поверхности контакта шины с дорогой может быть верно определена только в том случае, если в качестве P используется давление P(1), оказываемое покрышкой на твёрдую ровную поверхность, а не давление воздуха в ней P(2), которые в общем случае не равны, S=F/P(1). Большой палец руки прикладывается к протектору слабонакачанной шины, а другие- к ободу. Увеличение давления пальца на шину за счёт большей силы ведёт к возрастанию величины смещения, то есть линейной деформации x,- по закону Гука, F=k·x, где k- модуль упругости, или жёсткость покрышки с воздухом; давление воздуха в ней P(2) и площадь S поверхности соприкосновения при этом практически не изменяются. Однако, если рассчитать силу, используя давление воздуха в шине, F=P(2)·S, то она получается постоянной, независимо от смещения, что противоречит реальности, как и расчёт площади контакта по формуле S=F/P(2).
  17. Аватар для Pranevich Ihar
    Сила трения качения практически не зависит от диаметра колеса, при близких иных условиях, в случае качения по ровной твёрдой поверхности, но увеличивается с уменьшением его радиуса при движении по дороге с препятствиями.
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar Посмотреть сообщение
    Площадь проекции поверхности соприкосновения шины с препятствием на плоскость, перепендикулярную направлению движения, будет тем больше, чем меньше радиус колеса.
  18. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    Если более жёсткое колесо, держа в руке, отпустить с некоторой высоты на твёрдую поверхность, то оно после удара поднимется на существенно меньшую, так как запасает небольшую потенциальную энергию, которая в незамкнутой системе препятствует качению.
    По закону сохранения импульса, пренебрагая сопротивлением воздуха, количество движения тела тела после удара mv(2)=Ft, отсюда его скорость v(2)= mgt/m= gt. Время взаимодействия t определяется упругими свойствами соударяющихся тел и может изменяться в пределах [0; v(1)/g],- в первом случае тело мгновенно прекратит движение, во втором поднимется на высоту, с которой падало.
  19. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar Посмотреть сообщение
    Реальность же такова, что чем лучше, в смысле меньшего сопротивления качению, колёса велосипеда, тем существеннее велосипедистом ощущается разница энергозатрат при езде по ветру и против на шоссе, особенно открытом.
    Предположим, что величина силы лобового сопротивления велосипедиста, движущегося по ветру, равна 5 Н, против него 10 Н, скорость велосипеда относительно поверхности Земли во всех случаях 10 м/с; имеется два комплекта колёс, суммарная сила трения качения которых 5 Н и 10 Н. Для первой пары, при движении по ветру, мощность сил сопротивления движению будет составлять 100 Вт, против- 150 Вт, то есть в 1,5 раза, или на 50% больше; для второго комплекта колёс соответсвенно 150 Вт и 200 Вт,- увеличение в 1,333 раза, или на 33,3 %.
    Обновлено 16.07.2021 в 19:07 Pranevich Ihar
  20. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    Воздух в шине условно можно рассматривать как набор радиальных пружин, каждая из которых представляет упругое тело с площадью основания S, зависящую от внутренней ширины обода, и высотой h, модуль Юнга E которого равен давлению в ней, а жёсткость к= (ES)/h.
    В общем случае жёсткость меняется не прямо пропорционально с ростом давления воздуха в шине, так как при этом могут несколько измениться её форма и объём.
    Обновлено 24.07.2021 в 22:48 Pranevich Ihar