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 01:54 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.