Τριβή των ελαστικών

Ο συντελεστής τριβής μεταξύ μετάλλων είναι αρκετά χαμηλός, γύρω στο 0,15-0,20 ενώ αυξάνεται πάρα πολύ, σχεδόν στο 2,0 για λάστιχο πάνω σε γυαλί. Όταν ο συντελεστής τριβής είναι μεγαλύτερος από τη μονάδα, χρειάζεται να σπρώξεις με περισσότερη δύναμη ένα αντικείμενο, από όσο είναι το βάρος του. Αυτό σημαίνει ότι ο μηχανισμός της τριβής στα λάστιχα είναι πιο πολύπλοκος από την απλή τριβή.

Το λάστιχο δημιουργεί τριβή με τρεις τρόπους:
[list:3b9zpkfx]Κολλάει σε άλλα υλικά (π.χ. γυαλί). Τα μόρια του ελαστικού προσωρινά γαντζώνονται στα μόρια της άλλης επιφάνειας. Όσο περισσότερο χρόνο έχει το λάστιχο (πολύ μικρή σχετική ταχύτητα) τόσο περισσότερο κολλάει στην άλλη επιφάνεια.

Όταν οι επιφάνειες δεν είναι λείες όπως το γυαλί, το λάστιχο δημιουργεί τριβή καθώς παραμορφώνεται πάνω στην ανώμαλη επιφάνεια.

Εκτός από τους δύο παραπάνω τρόπους, το λάστιχο δημιουργεί τριβή καθώς φθείρεται (σκίζεται) όταν γλιστράει πάνω σε μια επιφάνεια.
[/list:u:3b9zpkfx]

Η τριβή στα λάστιχα δημιουργείται κυρίως λόγω του πρώτου τρόπου (κολλάει στο δρόμο). Αυτό το διαπιστώνουμε εύκολα όταν ο δρόμος είναι σκονισμένος ή βρεγμένος. Τότε το λάστιχο δεν μπορεί να κολλήσει στην άσφαλτο και η τριβή που δημιουργεί είναι κυρίως λόγω παραμόρφωσης. Για να βελτιωθεί το κράτημα στο βρεγμένο, το λάστιχο σχεδιάζεται “πορώδες” ώστε να μην μπορεί το νερό να δημιουργήσει ομοιόμορφο φιλμ επάνω του. Επίσης, χρησιμοποιούνται ειδικά πρόσθετα για να διώχνουν το νερό. Σε “δύσκολους” δρόμους (που δεν κολλάει το λάστιχο κάτω) βλέπουμε ότι η τριβή λόγω της παραμόρφωσης είναι πολύ σημαντική. Όμως ένα λάστιχο όταν παραμορφώνεται, αμέσως ανακτά το σχήμα του. Αυτό μειώνει τη τριβή λόγω της παραμόρφωσης – εμείς θέλουμε ένα λάστιχο που να αργεί να πάρει το σχήμα του και να απορροφά την ενέργεια της παραμόρφωσης μετατρέποντάς την σε θερμότητα (υστέρηση).

Όταν το κατάστρωμα της οδού είναι καινούριο, έχει πολλές μικρές ανωμαλίες που παραμορφώνουν το πέλμα του ελαστικού και δημιουργούν μεγάλη τριβή παραμόρφωσης. Σε μια πίστα που οι γραμμές έχουν πατηθεί πολύ και είναι πιο λείες, όταν δεν βρέχει το λάστιχο κολλάει περισσότερο (δεν είναι σκονισμένες) και οι οδηγοί προτιμούν τις γραμμές. Στη βροχή, πεπειραμένοι οδηγοί που ξέρουν τη πίστα, δεν κρατούν τις γραμμές για να πατάνε στην “άφθαρτη” άσφαλτο που λόγω της μεγαλύτερης παραμόρφωσης του ελαστικού δημιουργεί μεγαλύτερη τριβή και καλύτερο κράτημα. Στο δρόμο δεν έχει σημασία που πατάς γιατί δεν υπάρχουν γραμμές και η άσφαλτος είναι παντού φθαρμένη.

Βάρος

Ο συντελεστής τριβής των ελαστικών δεν είναι σταθερός αλλά μειώνεται καθώς αυξάνεται το κατακόρυφο φορτίο του τροχού. Έτσι η δύναμη της τριβής που δημιουργεί ένα ελαστικό είναι αναλογικά μεγαλύτερη σε μικρά φορτία.

Συμπέρασμα: το μεγάλο βάρος είναι μειονέκτημα.

**Μεταφορά φορτίου.

Μεταφορά φορτίου λόγω φυγόκεντρης δύναμης.**

Όταν το αυτοκίνητο στρίβει με ταχύτητα, μεταφέρεται βάρος (φορτίο) από τον εσωτερικό τροχό στον εξωτερικό. Η μεταφορά φορτίου είναι ανάλογη με το ύψος του κέντρου βάρους και την οριζόντια επιτάχυνση, ενώ είναι αντιστρόφως ανάλογη με το μετατρόχιο.

Ξέρουμε ότι ο συντελεστής τριβής μεταξύ των ελαστικών και του δρόμου, ΜΕΙΩΝΕΤΑΙ όσο αυξάνεται το κατακόρυφο φορτίο του ελαστικού. Έτσι στο αυτοκίνητο που στρίβει με ταχύτητα και μεταφέρεται φορτίο, το κράτημα στον εξωτερικό τροχό αυξάνεται αλλά όχι τόσο όσο μειώνεται το κράτημα στον εσωτερικό τροχό.

Συμπέρασμα: Όσο μεγαλύτερη μεταφορά φορτίου έχουμε, τόσο μικραίνει το κράτημα. Άρα θέλουμε ένα ελαφρύ και φαρδύ αυτοκίνητο με χαμηλό κέντρο βάρους (όμως το φαρδύ και το ελαφρύ δεν πάνε μαζί).

Μεταφορά φορτίου λόγω κλίσης του αμαξώματος.

Η κλίση του αμαξώματος στις στροφές μεταφέρει φορτίο στον εξωτερικό τροχό. Όσο περισσότερο γέρνει τόσο μεγαλύτερο φορτίο μεταφέρεται. Μπορούμε να σχεδιάσουμε την ανάρτηση ώστε το σημείο περιστροφής του αμαξώματος να είναι ψηλά, κοντά στο κέντρο βάρους ώστε να μειωθεί η μεταφορά φορτίου λόγω κλίσης. Όμως αυτή η γεωμετρία της ανάρτησης δημιουργεί δυνάμεις που απότομα σπρώχνουν το αμάξι προς τα επάνω και επίσης υψώνουν το κέντρο βάρους (δεν το θέλουμε αυτό).

Απόκριση του συστήματος διεύθυνσης

Ξέρουμε ότι τα αυτοκίνητα με το κινητήρα στο κέντρο συμπεριφέρονται καλύτερα από τα άλλα. Δεν είναι λόγω της κατανομής του βάρους 50/50 (τα περισσότερα αυτοκίνητα με το κινητήρα στο κέντρο έχουν περισσότερο βάρος πίσω) αλλά ο κύριος λόγος της καλής συμπεριφοράς τους είναι η μικρή πολική αδράνεια.

Εκτός από φαρδύ, ελαφρύ και χαμηλό, θέλουμε το αμάξι μας να έχει μαζεμένο το βάρος του στο κέντρο.

**

ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ ΣΕ ΣΤΡΟΦΕΣ

Γωνία ολίσθησης**

Καθώς ένα αυτοκίνητο στρίβει, ο τροχός έχει μια συγκεκριμένη διεύθυνση αλλά το πέλμα του ελαστικού (επειδή είναι ΕΛΑΣΤΙΚΟ) αντιστέκεται στο στρίψιμο λόγω της τριβής του με το δρόμο. Αυτή η διαφορά (γωνία) μεταξύ της κατεύθυνσης του τροχού και του παραμορφωμένου πέλματος του ελαστικού, ονομάζεται γωνία ολίσθησης.

Υπερστροφή και υποστροφή

Οι πιο σημαντικοί και συχνοί όροι στη συμπεριφορά ενός αυτοκινήτου. Θέλουμε το αυτοκίνητο να συμπεριφέρεται ουδέτερα; ΟΧΙ (συνέχεια στο επόμενο).

Το αυτοκίνητο πρέπει να υποστρέφει και να υπερστρέφει ελαφρά, και να ελέγχεται εύκολα με το γκάζι, φρένο και τιμόνι. Πως αλλάζει η συμπεριφορά του αυτοκινήτου με το γκάζι; η υπερστροφή και η υποστροφή κρύβονται στις γωνίες ολίσθησης.

Η υπερστροφή και η υποστροφή μπορούν να περιγραφούν με τις γωνίες ολίσθησης που έχουν όλοι οι τροχοί ενός αυτοκινήτου που στρίβει:
[list:3b9zpkfx]ΥΠΟΣΤΡΟΦΗ: Γωνία ολίσθ. Μπροστά > Γωνία ολίσθ. Πίσω
ΥΠΕΡΣΤΡΟΦΗ: Γωνία ολίσθ. Μπροστά < Γωνία ολίσθ. Πίσω
ΟΥΔΕΤΕΡΗ: Γωνία ολίσθ. Μπροστά = Γωνία ολίσθ. Πίσω[/list:u:3b9zpkfx]

Πατώντας και αφήνοντας το γκάζι μπορούμε να ελέγξουμε την υπερστροφή/υποστροφή. Γιατί γίνεται αυτό; λόγω μεταφοράς φορτίου; ΟΧΙ. Επειδή πατώντας το γκάζι αλλάζει η γωνία ολίσθησης στους κινητήριους τροχούς και η ελαφρά υπερστροφή μπορεί να γίνει ελαφρά υποστροφή.

Έχουμε ένα τροχό που στρίβει και το πέλμα του είναι παραμορφωμένο – έχει μια γωνία ολίσθησης. Πατώντας το γκάζι, ο τροχός ασκεί στο δρόμο (μέσω του ελαστικού) μια δύναμη έλξης κατά τη διεύθυνση του τροχού. Αυτή η ελκτική δύναμη, παραμορφώνει ακόμα περισσότερο το ελαστικό αυξάνοντας τη γωνία ολίσθησης. Έτσι, πατώντας λιγότερο ή περισσότερο γκάζι αλλάζουμε τη γωνία ολίσθησης στους κινητήριους τροχούς και αλλάζουμε την υπερστροφή σε υποστροφή.

Στα μπροστοκίνητα περισσότερο γκάζι μεγαλώνει τη γωνία ολίσθησης μπροστά, δηλαδή περισσότερη υποστροφή. Στα πισωκίνητα περισσότερο γκάζι μεγαλώνει τη γωνία ολίσθησης πίσω, δηλαδή περισσότερη υπερστροφή. Στα τετρακίνητα (με ίση κατανομή ροπής) το γκάζι αλλάζει ίδια τις γωνίες ολίσθησης μπροστά και πίσω, δηλαδή ουδέτερη συμπεριφορά. (συνέχεια στο επόμενο).

Τριβή των ελαστικών

Ο συντελεστής τριβής μεταξύ μετάλλων είναι αρκετά χαμηλός, γύρω στο 0,15-0,20 ενώ αυξάνεται πάρα πολύ, σχεδόν στο 2,0 για λάστιχο πάνω σε γυαλί. Όταν ο συντελεστής τριβής είναι μεγαλύτερος από τη μονάδα, χρειάζεται να σπρώξεις με περισσότερη δύναμη ένα αντικείμενο, από όσο είναι το βάρος του. Αυτό σημαίνει ότι ο μηχανισμός της τριβής στα λάστιχα είναι πιο πολύπλοκος από την απλή τριβή.

Το λάστιχο δημιουργεί τριβή με τρεις τρόπους:
[list:3b9zpkfx]Κολλάει σε άλλα υλικά (π.χ. γυαλί). Τα μόρια του ελαστικού προσωρινά γαντζώνονται στα μόρια της άλλης επιφάνειας. Όσο περισσότερο χρόνο έχει το λάστιχο (πολύ μικρή σχετική ταχύτητα) τόσο περισσότερο κολλάει στην άλλη επιφάνεια.

Όταν οι επιφάνειες δεν είναι λείες όπως το γυαλί, το λάστιχο δημιουργεί τριβή καθώς παραμορφώνεται πάνω στην ανώμαλη επιφάνεια.

Εκτός από τους δύο παραπάνω τρόπους, το λάστιχο δημιουργεί τριβή καθώς φθείρεται (σκίζεται) όταν γλιστράει πάνω σε μια επιφάνεια.
[/list:u:3b9zpkfx]

Η τριβή στα λάστιχα δημιουργείται κυρίως λόγω του πρώτου τρόπου (κολλάει στο δρόμο). Αυτό το διαπιστώνουμε εύκολα όταν ο δρόμος είναι σκονισμένος ή βρεγμένος. Τότε το λάστιχο δεν μπορεί να κολλήσει στην άσφαλτο και η τριβή που δημιουργεί είναι κυρίως λόγω παραμόρφωσης. Για να βελτιωθεί το κράτημα στο βρεγμένο, το λάστιχο σχεδιάζεται “πορώδες” ώστε να μην μπορεί το νερό να δημιουργήσει ομοιόμορφο φιλμ επάνω του. Επίσης, χρησιμοποιούνται ειδικά πρόσθετα για να διώχνουν το νερό. Σε “δύσκολους” δρόμους (που δεν κολλάει το λάστιχο κάτω) βλέπουμε ότι η τριβή λόγω της παραμόρφωσης είναι πολύ σημαντική. Όμως ένα λάστιχο όταν παραμορφώνεται, αμέσως ανακτά το σχήμα του. Αυτό μειώνει τη τριβή λόγω της παραμόρφωσης – εμείς θέλουμε ένα λάστιχο που να αργεί να πάρει το σχήμα του και να απορροφά την ενέργεια της παραμόρφωσης μετατρέποντάς την σε θερμότητα (υστέρηση).

Όταν το κατάστρωμα της οδού είναι καινούριο, έχει πολλές μικρές ανωμαλίες που παραμορφώνουν το πέλμα του ελαστικού και δημιουργούν μεγάλη τριβή παραμόρφωσης. Σε μια πίστα που οι γραμμές έχουν πατηθεί πολύ και είναι πιο λείες, όταν δεν βρέχει το λάστιχο κολλάει περισσότερο (δεν είναι σκονισμένες) και οι οδηγοί προτιμούν τις γραμμές. Στη βροχή, πεπειραμένοι οδηγοί που ξέρουν τη πίστα, δεν κρατούν τις γραμμές για να πατάνε στην “άφθαρτη” άσφαλτο που λόγω της μεγαλύτερης παραμόρφωσης του ελαστικού δημιουργεί μεγαλύτερη τριβή και καλύτερο κράτημα. Στο δρόμο δεν έχει σημασία που πατάς γιατί δεν υπάρχουν γραμμές και η άσφαλτος είναι παντού φθαρμένη.

Βάρος

Ο συντελεστής τριβής των ελαστικών δεν είναι σταθερός αλλά μειώνεται καθώς αυξάνεται το κατακόρυφο φορτίο του τροχού. Έτσι η δύναμη της τριβής που δημιουργεί ένα ελαστικό είναι αναλογικά μεγαλύτερη σε μικρά φορτία.

Συμπέρασμα: το μεγάλο βάρος είναι μειονέκτημα.

**Μεταφορά φορτίου.

Μεταφορά φορτίου λόγω φυγόκεντρης δύναμης.**

Όταν το αυτοκίνητο στρίβει με ταχύτητα, μεταφέρεται βάρος (φορτίο) από τον εσωτερικό τροχό στον εξωτερικό. Η μεταφορά φορτίου είναι ανάλογη με το ύψος του κέντρου βάρους και την οριζόντια επιτάχυνση, ενώ είναι αντιστρόφως ανάλογη με το μετατρόχιο.

Ξέρουμε ότι ο συντελεστής τριβής μεταξύ των ελαστικών και του δρόμου, ΜΕΙΩΝΕΤΑΙ όσο αυξάνεται το κατακόρυφο φορτίο του ελαστικού. Έτσι στο αυτοκίνητο που στρίβει με ταχύτητα και μεταφέρεται φορτίο, το κράτημα στον εξωτερικό τροχό αυξάνεται αλλά όχι τόσο όσο μειώνεται το κράτημα στον εσωτερικό τροχό.

Συμπέρασμα: Όσο μεγαλύτερη μεταφορά φορτίου έχουμε, τόσο μικραίνει το κράτημα. Άρα θέλουμε ένα ελαφρύ και φαρδύ αυτοκίνητο με χαμηλό κέντρο βάρους (όμως το φαρδύ και το ελαφρύ δεν πάνε μαζί).

Μεταφορά φορτίου λόγω κλίσης του αμαξώματος.

Η κλίση του αμαξώματος στις στροφές μεταφέρει φορτίο στον εξωτερικό τροχό. Όσο περισσότερο γέρνει τόσο μεγαλύτερο φορτίο μεταφέρεται. Μπορούμε να σχεδιάσουμε την ανάρτηση ώστε το σημείο περιστροφής του αμαξώματος να είναι ψηλά, κοντά στο κέντρο βάρους ώστε να μειωθεί η μεταφορά φορτίου λόγω κλίσης. Όμως αυτή η γεωμετρία της ανάρτησης δημιουργεί δυνάμεις που απότομα σπρώχνουν το αμάξι προς τα επάνω και επίσης υψώνουν το κέντρο βάρους (δεν το θέλουμε αυτό).

Απόκριση του συστήματος διεύθυνσης

Ξέρουμε ότι τα αυτοκίνητα με το κινητήρα στο κέντρο συμπεριφέρονται καλύτερα από τα άλλα. Δεν είναι λόγω της κατανομής του βάρους 50/50 (τα περισσότερα αυτοκίνητα με το κινητήρα στο κέντρο έχουν περισσότερο βάρος πίσω) αλλά ο κύριος λόγος της καλής συμπεριφοράς τους είναι η μικρή πολική αδράνεια.

Εκτός από φαρδύ, ελαφρύ και χαμηλό, θέλουμε το αμάξι μας να έχει μαζεμένο το βάρος του στο κέντρο.

**

ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ ΣΕ ΣΤΡΟΦΕΣ

Γωνία ολίσθησης**

Καθώς ένα αυτοκίνητο στρίβει, ο τροχός έχει μια συγκεκριμένη διεύθυνση αλλά το πέλμα του ελαστικού (επειδή είναι ΕΛΑΣΤΙΚΟ) αντιστέκεται στο στρίψιμο λόγω της τριβής του με το δρόμο. Αυτή η διαφορά (γωνία) μεταξύ της κατεύθυνσης του τροχού και του παραμορφωμένου πέλματος του ελαστικού, ονομάζεται γωνία ολίσθησης.

Υπερστροφή και υποστροφή

Οι πιο σημαντικοί και συχνοί όροι στη συμπεριφορά ενός αυτοκινήτου. Θέλουμε το αυτοκίνητο να συμπεριφέρεται ουδέτερα; ΟΧΙ (συνέχεια στο επόμενο).

Το αυτοκίνητο πρέπει να υποστρέφει και να υπερστρέφει ελαφρά, και να ελέγχεται εύκολα με το γκάζι, φρένο και τιμόνι. Πως αλλάζει η συμπεριφορά του αυτοκινήτου με το γκάζι; η υπερστροφή και η υποστροφή κρύβονται στις γωνίες ολίσθησης.

Η υπερστροφή και η υποστροφή μπορούν να περιγραφούν με τις γωνίες ολίσθησης που έχουν όλοι οι τροχοί ενός αυτοκινήτου που στρίβει:
[list:3b9zpkfx]ΥΠΟΣΤΡΟΦΗ: Γωνία ολίσθ. Μπροστά > Γωνία ολίσθ. Πίσω
ΥΠΕΡΣΤΡΟΦΗ: Γωνία ολίσθ. Μπροστά < Γωνία ολίσθ. Πίσω
ΟΥΔΕΤΕΡΗ: Γωνία ολίσθ. Μπροστά = Γωνία ολίσθ. Πίσω[/list:u:3b9zpkfx]

Πατώντας και αφήνοντας το γκάζι μπορούμε να ελέγξουμε την υπερστροφή/υποστροφή. Γιατί γίνεται αυτό; λόγω μεταφοράς φορτίου; ΟΧΙ. Επειδή πατώντας το γκάζι αλλάζει η γωνία ολίσθησης στους κινητήριους τροχούς και η ελαφρά υπερστροφή μπορεί να γίνει ελαφρά υποστροφή.

Έχουμε ένα τροχό που στρίβει και το πέλμα του είναι παραμορφωμένο – έχει μια γωνία ολίσθησης. Πατώντας το γκάζι, ο τροχός ασκεί στο δρόμο (μέσω του ελαστικού) μια δύναμη έλξης κατά τη διεύθυνση του τροχού. Αυτή η ελκτική δύναμη, παραμορφώνει ακόμα περισσότερο το ελαστικό αυξάνοντας τη γωνία ολίσθησης. Έτσι, πατώντας λιγότερο ή περισσότερο γκάζι αλλάζουμε τη γωνία ολίσθησης στους κινητήριους τροχούς και αλλάζουμε την υπερστροφή σε υποστροφή.

Στα μπροστοκίνητα περισσότερο γκάζι μεγαλώνει τη γωνία ολίσθησης μπροστά, δηλαδή περισσότερη υποστροφή. Στα πισωκίνητα περισσότερο γκάζι μεγαλώνει τη γωνία ολίσθησης πίσω, δηλαδή περισσότερη υπερστροφή. Στα τετρακίνητα (με ίση κατανομή ροπής) το γκάζι αλλάζει ίδια τις γωνίες ολίσθησης μπροστά και πίσω, δηλαδή ουδέτερη συμπεριφορά. (συνέχεια στο επόμενο).

Για το Coyot που θέλει να αλλάξει τη τετρακίνητη με δυνατή πισωκίνητη.

Η τετρακίνηση σε γενικές γραμμές δε δίνει υπερστροφή ισχύος αν και οι οδηγοί τη προτιμούν γιατί κρατάει καλύτερα και έχουν καλύτερες ταχύτητες στη στροφή.

Σε ένα πισωκίνητο που στρίβει, το γκάζι παραμορφώνει περισσότερο το πέλμα του ελαστικού, αυξάνεται η γωνία ολίσθησης και η υπερστροφή. Στο τετρακίνητο, η δύναμη του κινητήρα μοιράζεται, οι γωνίες ολίσθησης μεγαλώνουν λιγότερο και τα ελαστικά φθάνουν πιο δύσκολα στο όριο τους.

Η ουδέτερη συμπεριφορά του τετρακίνητου είναι καλύτερη στην είσοδο της στροφής και στη μέση της στροφής, αλλά δεν δίνει το περιθώριο διόρθωσης με υπερστροφή στην έξοδο. Επειδή οι οδηγοί δεν εκτιμούν πάντα σωστά τη ταχύτητα εξόδου, η πίσω κίνηση υπερέχει σε έλεγχο στην έξοδο. Όμως το φοβερό κράτημα της τετρακίνησης (ιδίως με ηλεκτρονικά διαφορικά) αφήνει πίσω τα πισωκίνητα.

Υπερστροφή ισχύος στα τετρακίνητα; Βεβαίως (όχι πολύ όμως γιατί επηρεάζεται η σταθερότητα στην ευθεία). Είναι πιο ψηλά, γέρνουν περισσότερο και ΛΟΓΩ ΚΛΙΣΗΣ εισάγεται στο πίσω εξωτερικό τροχό θετικό κάμπερ και υπερστροφή ισχύος (το κάμπερ δεν αλλάζει λόγω γεωμετρίας της πίσω ανάρτησης - το αμάξι θα είναι πολύ δύσκολο στο χειρισμό έως ανεξέλεγκτο).

Να ξέρετε ότι ΟΛΕΣ αυτές οι χορεύτριες έχουν σκοπό το γάμο και παντρεύονται - μπορεί να είναι οι άντρες κοντοί άσχημοι χωριάτες αλλά έχουν (πολλά) χωράφια και το κυριότερο: ξοδεύουν για τη ψηλή και όμορφη γυναίκα τους.