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

Pranevich Ihar

Трение качения в системе "колесо- дорога"

Рейтинг: 4.89. Голосов: 169.
221 Комментарии
Pranevich Ihar
28.11.2018 в 20:56 (80186 Просмотров)
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

Категории
‎ Без категории

Комментарии

  1. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    Давление газа есть результат упругих столкновений его молекул со стенками ёмкости, в которой он находится. Если шина в месте контакта с дорогой сжимается, то расстояние между ней и ободом в этой области уменьшается, количество ударов об их в единицу времени становится больше, давление локально повышается.
    В этом можно убедиться, надавливая на накачанную шину пальцем,- чем на большую величину её нужно прогнуть, тем существеннее силу надо приложить. Объясняется это тем, что возрастает сила со стороны воздуха на внутреннюю область шины под пальцем, то есть его давление на эту часть увеличивается, так как её площадь практически не изменяется. Если бы вследствие локального воздействия давление равномерно перераспределялось по всей площади, с которой контактирует воздух, то сила бы заметно не увеличивалась, и пневмошину было бы довольно легко прогнуть до обода, что сделало бы затруднительным её практическое применение.
  2. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    Результаты экспериментов говорят о том, что более жёсткие колёса лучше катят по ровной твёрдой поверхности за счёт меньшего значения коэффицинта трения качения.
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    При данном поперечном размере шины минимальное значение силы сопротивления качению будет достигнуто при её установке на обод с возможно большей из рекомендуемых внутренней шириной.
    Цитата Сообщение от Offroadster Посмотреть сообщение
    на широких ободах, та же покрышка гребет шире и ощущается мягче, чем на узких
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar Посмотреть сообщение
    Однако, колесо при одинаковом давлении воздуха в шине будет более жёстким, то есть, на меньшую величину деформироваться под действием одной и той же силы.
    К подобному выводу о зависимости жёсткости шины с воздухом от ширины обода, на который она установлена, приходят и другие исследователи.
    The large increase in width means that you're almost moving up a tire size per 4 mm of rim width increase. A wider tire also means the tire will be stiffer at the same air pressure. https://www.bicyclerollingresistance...rim-width-test
    Обновлено 10.01.2023 в 19:00 Pranevich Ihar (дополнение)
  3. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    Мяч представляет собой незамкнутую систему, когда катится, и замкнутую в момент соударения.
    Примерно то же самое можно сказать и о колесе трюкового велосипеда,- при качении по поверхности незамкнутая система, замкнутая в момент приземления после прыжка.
  4. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    К какой системе, замкнутой или незамкнутой, следует относить обувь для ходьбы пешком? Всё-таки, к незамкнутой. Здесь, как и в случае с центральной областью шины, нужны жёсткие, соответственно, тонкие, подошвы для уменьшения потерь энергии на их деформации.
    Велотуфли также представляют собой незамкнутую систему.
    Цитата Сообщение от Ethereum Посмотреть сообщение
    велообувь очень жесткая
    Обновлено 20.02.2023 в 12:09 Pranevich Ihar
  5. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    Нежёсткое колесо при качении по ровной твёрдой поверхности как бы спотыкается само о себя,- вначале деформируется находящаяся в данный момент времени вблизи области контакта с дорогой его часть, затем происходит поступательное движение оси.
    Звуки, издаваемые при качении колеса, есть результат спотыкания его как самого о себя, так и за неровности дороги,- на гладком асфальте их интенсивность тем слабее, чем меньше сила трения качения.
  6. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    Рассматривая воздух в камере как набор множества пружин, расположенных по окружности обода в радиальном направлении, можно предположить, что в одностенном ободе (высота воздуха больше) последовательно соединены пружины двустенного (высота воздуха меньше), жёсткость системы при этом уменьшается. https://forum.velomania.ru/entry.php?b=10877
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    При данном поперечном размере шины минимальное значение силы сопротивления качению будет достигнуто при её установке на обод с возможно большей из рекомендуемых внутренней шириной.
    В таком случае получается, что в широком ободе параллельно соединены пружины узкого, жёсткость системы при этом увеличивается.
  7. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    Давление газа есть результат упругих столкновений его молекул со стенками ёмкости, в которой он находится. Если шина в месте контакта с дорогой сжимается, то расстояние между ней и ободом в этой области уменьшается, количество ударов об их в единицу времени становится больше, давление локально повышается.
    Система со сжатым воздухом, к примеру, пневматическая шина, ведёт себя подобно любой природы упругому телу,- в области действия внешней нормальной силы возникает напряжение, то есть дополнительное давление, равное очень примерно, из-за размытости границ, отношению её величины к площади поверхности, на которую она воздействует.
    Обновлено 28.02.2023 в 01:21 Pranevich Ihar
  8. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    Система со сжатым воздухом, к примеру, пневматическая шина, ведёт себя подобно любой природы упругому телу
    Иными словами, если заменить воздух каким-либо материалом с модулем Юнга, равным его давлению в шине, то увеличится масса, однако, ходовые качества колеса в реальных условиях эксплуатации существенно не изменятся.
  9. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar Посмотреть сообщение
    Упругие свойства шины с воздухом определяются её жёсткостью, которая зависит и от давления воздуха в ней.
    Именно жёсткость, или коэффициент упругости, характеризует упругие свойства как пневматической шины, так и колеса в целом.
  10. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от H.Bourne Посмотреть сообщение
    На беговых кроссовках один раз покатил - чуть с ума не сошёл: педалей нет! Давишь и сначала подошва плющится и только затем, "где-то далеко", появляется педаль.
    Обувь для езды на велосипеде, ходьбы пешком приближённо можно считать незамкнутой системой, а бега, прыжков,- замкнутой.
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar
    В незамкнутых (колесо) и замкнутых (спортивная обувь) системах нужно использовать различные подходы для уменьшения потерь энергии,- в первом случае увеличивать жёсткость для минимизации деформаций, во втором оптимизировать её с целью способствования максимальному превращению кинетической энергии движения в потенциальную упругой деформации, и наоборот.
  11. Аватар для Pranevich Ihar
    Цитата Сообщение от 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
    Обод колеса стремится выпрямиться, поэтому сила натяжения спиц, находящихся примерно в середине третьей и четвёртой четвертей окружности, увеличивается.
    Обновлено 13.03.2023 в 14:06 Pranevich Ihar
  12. Аватар для Pranevich Ihar
    Аннотация научной статьи, в которой описываются факторы, влияющие на трение качения в системе "колесо- дорога", приведена здесь: https://elibrary.ru/item.asp?id=50414040.
  13. Аватар для Pranevich Ihar
    Мягкое, с физической точки зрения, колесо, ощущается жёстким, как бы "корявым", во время езды по твёрдой дороге с небольшими неровностями.
  14. Аватар для Pranevich Ihar
    Основная функция шины- уменьшение чрезмерной жёсткости колеса без неё, оптимизация её под конкретные условия эксплуатации.
    Обновлено 23.04.2023 в 20:09 Pranevich Ihar (уточнение)
  15. Аватар для Pranevich Ihar
    С физической точки зрения колесо представляет собой систему упругих элементов, то есть пружин, возможно существенно различной жёсткости, воздушных и (или) изготовленных из любых подходящих материалов.
    Обновлено 03.05.2023 в 20:48 Pranevich Ihar
  16. Аватар для Pranevich Ihar
    При повышении температуры окружающей среды воздух в шине нагревается, его давление и вязкость увеличиваются, как и её жёсткость, трение качения колеса уменьшается.
    Обновлено 27.05.2023 в 19:25 Pranevich Ihar (дополнение)
  17. Аватар для Pranevich Ihar
    Роль сжатого воздуха в шине крайне существенна. Имеются две воздушные пружины,- прочные полые цилиндры с одинаковыми площадью оснований, давлением воздуха и подвижными поршнями; высота первого цилиндра h, второго- в k раз больше первого. В обоих цилиндрах действием внешней силы на поршни увеличивается давление воздуха в n раз, процесс изотермический. В результате в первом цилиндре поршень сдвинется на расстояние h(1-(1/n)), во втором kh(1-(1/n)),- абсолютное смещение в k раз больше, а жёсткость воздушной пружины, по закону Гука, во столько же раз меньше.
    Обновлено 28.06.2023 в 14:46 Pranevich Ihar
  18. Аватар для Pranevich Ihar
    О деформации пневмошин ...
    Цитата Сообщение от Pranevich Ihar Посмотреть сообщение
    Имеется установленная на обод колеса пневматическая шина, рассматриваются два случая.
    1) Избыточное давление равняется нулю, в этом случае число ударов молекул воздуха о поверхность единичной площади равно снаружи и внутри. Если большим пальцем надавить на центральную часть шины, то она деформируется до обода.
    2) Рекомендуемое избыточное давление, частота ударов молекул об единичную площадку изнутри намного больше, чем снаружи, так как в шине увеличилась их концентрация. Пальцем уже совсем трудно деформировать ту же шину, причём приложенная сила прямо пропорциональна величине смещения,- чем больше нужно деформировать шину, тем значительнее силу приложить. Объясняется тем, что внутри шины по мере прогиба со стороны воздуха увеличивается сила, действующая внутри её на поверхность под пальцем, в основном из-за роста числа ударов в единицу времени молекул о неё по причине сокращения расстояния между ней и ободом. С использованием узкой покрышки уменьшается высота воздуха, возрастает относительная деформация при той же абсолютной,- шина существеннее ей сопротивляется, выше её жёсткость.
    Обновлено 01.07.2023 в 02:17 Pranevich Ihar (уточнение)
  19. Аватар для Pranevich Ihar
    Удар и качение представляют собой разные физические процессы,- в первом случае систему взаимодействующих тел можно приближённо рассматривать как замкнутую, имея возможность применять к ней законы сохранения импульса и механической энергии, во втором нет.
  20. Аватар для Pranevich Ihar
    Профиль шины в накачанном состоянии зависит от силы давления воздуха, оказываемой на её разные участки. Анализируются крайние случаи.
    1. Широкая шина, узкий обод. Сила давления воздуха на всю внутреннюю поверхность шины примерно одинакова, поперечное сечение похоже на таковое лампочки.
    2. Узкая шина, широкий обод. Центральная часть располагается ближе к ободу, сила давления воздуха на неё, ввиду большей площади, со стороны воздуха несколько больше, чем на боковины,- она как бы стремится от него удалиться, профиль шины принимает форму, близкую к U-образной.
    Обновлено 03.07.2023 в 21:05 Pranevich Ihar (уточнение)