Какие силы действуют на разгоняющийся автомобиль

Силы действующие на автомобиль при движении

Схема сил действующих на ведущее колесо

На движущийся автомобиль действует ряд сил, часть из которых направлена по оси движения автомобиля, а часть — под углом к этой оси. Условимся называть первые из этих сил продольными, а вторые боковыми.

Рис. Схема сил действующих на ведущее колесо.
а — состояние неподвижности; б — состояние движения

Продольные силы могут быть направлены как по ходу, так и против хода движения автомобиля. Силы, направленные по ходу движения, являются движущимися и стремятся продолжить движение. Силы, направленные против хода движения, являются силами сопротивления и стремятся остановить автомобиль.

На автомобиль, движущийся по горизонтальному и прямому участку дороги, действуют следующие продольные силы:

При движении автомобиля в гору возникает сила сопротивления подъему, а при разгоне автомобиля—сила сопро­тивления разгону (сила инерции).

Тяговая сила

Сила сцепления колес с дорогой

У легковых автомобилей полный вес рас­пределяется по осям примерно поровну. Поэтому сцепной вес его можно принять равным 50% полного веса. У грузовых автомоби­лей при полной их на­грузке сцепной вес (вес, приходящийся на заднюю ось) составляет примерно 60—70% полного веса.

Величина коэффициента сцепления имеет большое значение для эксплуатации автомобиля и безопасности движения, так как от него зависят проходимость автомобиля, тормозные качества, возможность, пробуксовки и заноса ведущих колес. При незначи­тельном коэффициенте сцепления трогание автомобиля с места со­провождается пробуксовкой, а торможение — скольжением колес. В результате автомобиль иногда не удается тронуть с места, а при торможении происходит резкое увеличение тормозного пути и возникновение заноса.

На асфальтобетонных покрытиях в жаркую погоду на поверх­ность выступает битум, делая дорогу маслянистой и более скольз­кой, что снижает коэффициент сцепления. Особенно сильно снижается коэффициент сцепления при смачивании дороги первым дождем, когда образуется еще не смытая пленка жидкой грязи. Заснежённая или обледенелая дорога особенно опасна в теплую погоду, когда поверхность подтаивает.

При увеличении скорости движения коэффициент сцепления снижается, в особенности на мокрой дороге, так как выступы ри­сунка протектора шины не успевают продавливать пленку влаги.

Исправное состояние рисунка протектора шины имеет большое значение при движении по грунтовым дорогам, снегу, песку, а также по дорогам с твердым покрытием, по покрытым пленкой грязи или воды. Благодаря наличию выступов рисунка опорная площадь шины уменьшается и, следовательно, возрастает удельное давление на поверхность дороги. При этом легче продавливается грязевая пленка и восстанавливается контакт с дорожным покрытием, а на легком грунте происходит непосредственное зацепление выступов рисунка за грунт.

Повышенное давление воздуха в шине уменьшает ее опорную поверхность, вследствие чего удельное давление возрастает на­столько, что при трогании с места и при торможении может произойти разрушение резины и сцепление колес с дорогой уменьшается.

Таким образом, величина коэффициента сцепления зависит от многих условий и может изменяться в довольно значительных пределах. Так как много дорожно-транспортных происшествий происходит из-за плохого сцепления, то водители должны уметь приблизительно оценивать величину коэффициента сцепления и выбирать скорость движения и приемы управления в соответствии с ним.

Сила сопротивления воздуха

Передней частью автомобиля воздух сжимается и раздвигает­ся, в то время как в задней части автомобиля создается разреже­ние, которое вызывает образование завихрений.

Сила сопротивления воздуха зависит от величины лобовой, поверхности автомобиля, его формы, а также от скорости движе­ния. Лобовую площадь грузового автомобиля определяют как произведение колеи (расстояние между шинами) на высоту авто­мобиля. Сила сопротивления воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости движения автомобиля (если скорость возра­стает в 2 раза, то сопротивление воздуха увеличивается в 4 раза).

Для улучшения обтекаемости и уменьшения сопротивления воздуха ветровое стекло автомобиля располагают наклонно, а вы­ступающие детали (фары, крылья, ручки дверей) устанавливают заподлицо с внешними очертаниями кузова. У грузовых автомоби­лей можно уменьшить силу сопротивления воздуха, закрыв грузо­вую платформу брезентом, натянутым между крышей кабины и задним бортом.

Сила сопротивления качению

Сила сопротивления качению равна произведению полного веса автомобиля на коэффициент сопротивления качению шин, который зависит от давления воздуха в шинах и качества дорожного покрытия. Вот- некоторые значения коэффициента сопротивления качению шин:

Сила сопротивления подъему

При движении на подъем автомобиль испытывает дополнитель­ное сопротивление, которое зависит от угла наклона дороги к гори­зонту. Сопротивление подъему тем больше, чем больше вес автомобиля и угол наклона дороги. При подъезде к подъему необходимо правильно оценить возможности преодоления подъема. Если подъем непродолжительный, его преодолевают с разгоном автомобиля перед подъемом. Если подъем продолжительный, его преодолевают на пониженной передаче, переключившись на нее у начала подъема.

При движении автомобиля на спуске сила сопротивления подъему направлена в сторону движения и является движущей силой.

Источник

Силы, действующие на автомобиль

Для правильного и безопасного управления любым автомобилем необходимо знать физические законы его поведения на дороге. Эти знания помогают при правильной оценке конкретной дорожной ситуации выбрать оптимальное решение и, воздействуя на органы управления автомобиля, совершать безопасные маневрирования.

Водителю необходимо учитывать все эти факторы, так как когда сила тяги на колеса автомобиля превышает силу сцепления с дорожным полотном, может произойти пробуксовка колес, а на скользкой дороге возможны заносы и выход из-под контроля управления автомобиля.

6. Сила сопротивления воздуха направлена в сторону, противоположную движению транспортного средства. Она возникает в процессе движения за счет давления на воздух поверхностями автомобиля, поэтому многое зависит от аэродинамической конструкции формы кузова автомобиля. Эта сила возрастает с увеличением скорости движения.

Сила сопротивления качению возникает в процессе движения при трении шин автомобиля о поверхность дороги, вследствие чего возникают трения в передаточном механизме (в подшипниках колес). Эта сила прямо пропорциональна массе транспортного средства и коэффициенту сопротивления качению. Коэффициент сопротивления качению зависит от состояния дороги и определяется опытным путем. Сила сопротивления качению направлена в сторону, противоположную движению.

Читайте также:  Лампы для автомобиля nissan note

Автомобильные дороги состоят из чередующихся между собой подъемов и спусков и крайне редко имеют горизонтальные участки большой длины. Крутизну подъема характеризуют величиной угла а (в градусах) или величиной уклона дороги t, представляющей собой отношение превышения Н к заложению В (см. рис. 2):

Вес автомобиля G, движущегося на подъеме, можно разложить на две-составляющие силы: G·sinб, направленную параллельно дороге, и G·cosб, перпендикулярную к дороге. Силу G sinб называют силой сопротивления подъему и обозначают Рб.

При движении на спуске сила Ра имеет противоположное направление и действует как движущая сила. Угол а и уклон i считают положительными на подъеме и отрицательными при движении на спуске.

У современных автомобильных дорог нет четко выраженных участков с постоянным уклоном; их продольный профиль имеет плавные очертания. На таких дорогах уклон и сила Р непрерывно меняются в процессе движения автомобиля.

Сопротивление неровностей. Ни одно дорожное покрытие не является абсолютно ровным. Даже новые цементобетонные и асфальтобетонные покрытия имеют неровности высотой до 1 см. Под действием динамических нагрузок неровности быстро увеличиваются, уменьшая скорость автомобиля, сокращая срок его службы и увеличивая расход топлива. Неровности создают дополнительное сопротивление движению.

При попадании колеса в длинную впадину оно ударяется о ее дно и подбрасывается вверх. После сильного удара колесо может отделиться от покрытия и снова удариться (уже с меньшей высоты), совершая затухающие колебания. Переезд через короткие впадины и выступы сопряжен с дополнительной деформацией шины под действием силы, возникающей при ударе о выступ неровности. Таким образом, движение автомобиля по неровностям дороги сопровождается непрерывными ударами колес и колебаниями осей и кузова. В результате происходит дополнительное рассеивание энергии в шине и деталях подвески, достигающее иногда значительных величин. [5]

Дополнительное сопротивление, вызываемое неровностями дороги, учитывают, условно увеличивая коэффициент сопротивления качению.

Величины коэффициента сопротивления качению f и уклона i в совокупности характеризуют качество дороги. Поэтому часто говорят о силе сопротивления дороги Р, равной сумме сил Рf и Ра:

Выражение, стоящее в скобках, называют коэффициентом сопротивления дороги и обозначают буквой Ф. Тогда сила сопротивления дороги: Р = G (f cosб-f sinб) = G ф.

При движении автомобиля на него оказывает сопротивление и воздушная среда. Затраты мощности на преодоление сопротивления воздуха складываются из следующих величин:

При увеличении скорости движения увеличивается и сопротивление воздуха.

Прицепы вызывают увеличение силы сопротивления воздуха вследствие значительного завихрения воздушных потоков между тягачом и прицепом, а также из-за увеличения наружной поверхности трения. В среднем можно принять, что применение каждого прицепа увеличивает это сопротивление на 25% по сравнению с одиночным автомобилем.

Кроме сил сопротивления дороги и воздуха влияние на движение автомобиля оказывают силы инерции Р. Всякое изменение скорости движения сопровождается преодолением силы инерции, и ее величина тем больше, чем больше вес автомобиля:

Сила инерции изменяется в процессе движения автомобиля в соответствии с изменением ускорения. Для преодоления силы инерции расходуется часть тяговой силы. Однако в тех случаях, когда автомобиль движется накатом после предварительного разгона или при торможении, сила инерции действует по направлению движения автомобиля, выполняя роль движущей силы. Принимая это во внимание, некоторые труднопроходимые участки пути можно преодолевать с предварительным разгоном автомобиля.

Величина силы сопротивления разгону зависит от ускорения движения. Чем быстрее разгоняется автомобиль, тем большей становится эта сила. Ее величина меняется даже при трогании с места. Если автомобиль трогается плавно, то сила эта почти отсутствует, а при резком трогании она может даже превысить тяговую силу. Это приведет или к остановке автомобиля, или к буксованию колес (в случае недостаточной величины коэффициента сцепления).

В сложных дорожных условиях может случиться так, что сумма всех сил сопротивления превысит тяговую силу, тогда движение автомобиля будет замедленным и он может остановиться, если водитель не примет необходимых мер.

Источник

mmt › Блог › Ньютон, Камм и Forza Motorsport

Данная заметка содержит азы физики движения автомобиля в той части, от которой наиболее всего зависит его управляемость. Если вас не интересуют формулы и векторы, то читать её не надо. Но, на самом деле, это та информация, которую вы получите на самом первом уроке в любой школе спортивного вождения.

Динамика – изучение причин механического движения.

Старик Ньютон в своё время сказал: «Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние».

Внезапным образом это изречение оказалось вплотную связано с повадками автомобиля.

Получившее название Первого закона Ньютона, в современном виде оно выглядит немного по-другому, и в дополнение к констатации того, что чтобы автомобиль начал двигаться, к нему нужно приложить внешнюю силу, которая не будет уравновешена другими, вводит так же понятие инерции: «Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальные точки, когда на них не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находятся в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения».

Понятие «инерция» хорошо нам знакомо на бытовом уровне, но описать его с точки зрения физики и математики не так и просто.

Сила инерции – не «настоящая» сила. В классической механике под силой (измеряется, если кто не помнит, в Ньютонах) понимается мера механического действия одного тела на другое, например ноги на мяч, но инерция – это «свойство тела». Сила инерции вводится для того, чтобы законы механики можно было применять в неинерциальных системах отсчета.

Интереснее всего, что её введение позволяет не только лаконичными формулами вычислять параметры движения тел, но и простым и понятным языком объяснять различные наблюдаемые явления. Например, при разгоне автомобиля тело человека вжимает в кресло, потому что на человека действует сила инерции; на планету действует сила гравитации звезды, но планета на неё не падает, потому что действие силы гравитации уравновешивается силой инерции, направленной ровно в противоположную сторону.

Как и любому телу, начинающему физику-экспериментатору этого видео свойственна инерция, то есть он стремится оставаться в покое либо двигаться равномерно и прямолинейно, и заставить его перестать это делать можно только приложив к нему силу, которая не будет уравновешена другими. Некоторое время он неподвижен относительно системы отсчета «карусель», потому что сила инерции компенсируется силой реакции поручней. Но сила инерции растёт с ускорением движения, и как только Ньютонов в его руках перестаёт хватать на то, чтобы компенсировать Ньютоны силы инерции, он начинает движение в ту сторону, куда его толкает инерция.
Нам же интересно то, что сила инерции — ровно та же сила, которая придала юному учёному движение по прямой прочь от его опытной установки — действует и на автомобиль, когда он движется по дуге поворота.

Читайте также:  Международный автосалон выставка автомобилей

Автомобилю, едущему по дуге, под действием силы инерции очень хочется улететь наружу поворота, а оставаться на дуге ему позволяет сила трения покоя, которая имеется между покрышками и дорогой. Эту силу трения автомобилисты называют силой сцепления с дорогой, или просто сцеплением.

Сила инерции в данном случае — центробежная сила, и она равна m*V^2/R, то бишь чем больше у автомобиля масса, чем больше его скорость либо чем меньше радиус дуги, по которой движется автомобиль, тем больше центробежная сила и, соответственно, тем больше должна быть призванная её уравновесить сила трения, чтобы автомобиль не вылетел с дороги. Именно желанием обеспечить как можно больший радиус для снижения центробежной силы обусловлены гоночные максимально «спрямленные» траектории снаружи-внутрь-наружу поворота.

Но о траекториях как-нибудь в другой раз, а сейчас – о силе трения между колесами и дорогой – той силе, благодаря которой автомобиль разгоняется, поворачивает, тормозит.

У автомобиля есть четыре колеса, и между каждым из этих четырех колёс и дорогой действует своя сила трения, а их сумма даёт общую силу — силу сцепления автомобиля с дорогой.
Поведение автомобиля в движении, всё, что он исполняет на дороге, определяется этими четырьмя составляющими силы трения. Единственная возможность водителя влиять на параметры движения автомобиля – только их посредством. Абсолютно вся настройка автомобиля – это попытка увеличить их, а так же, главное, сбалансировать между собой.

Сила трения определяет всё – и то, насколько быстрым будет автомобиль, и его характер управляемости, и законы его правильного пилотирования.

Сила трения равна k*N, где k – это коэффициент трения, а N – сила реакции опоры, которая равна по модулю и противоположна по направлению весу тела P. То есть можно сказать, что сила трения тем больше, чем больше вес тела и чем больше коэффициент трения между соприкасающимися поверхностями.

Для автомобиля эта зависимость не линейна – современная шина, даже гражданская, не говоря уж про разогретый гоночный слик, прилипает к дороге (и на самом деле, вопреки расхожему мнению, довольно сильно – иногда, чтобы сдвинуть стоящее на асфальте колесо, вам потребуется сила, в полтора раза большая, чем вес колеса); их коэффициент сцепления очень сильно и нелинейно зависит от температуры шины; увеличение веса ведет к изменению пятна контакта и так далее…

Кстати, именно эта формула, если дальше подменять вес на давление и площадь, породила два заблуждения – что сила сцепления не зависит от ширины шины (тут имеется два заблуждения в одном – что более широкая шина обязательно имеет большую площадь пятна контакта и что сцепление с дорогой от этой площади не зависит – оба эти утверждения неверны) и что современная машина без помощи прижимающей её к земле аэродинамики не может развивать ускорение больше, чем 1g. Например, хорошие гражданские машины без прижимной силы (как правило у гражданских машин, даже класса спорткаров, наоборот есть небольшая подъемная, а прижимная сила есть только у «трек-тулов» типа Порше 911 GT3 RS), но с хорошей развесовкой, хорошей подвеской, качественно настроенным балансом тормозных усилий и ABS легко выдают по 1.2g на торможении, и это на обычных гражданских, причем холодных, шинах (а шины этого класса с нагревом за полусотню градусов становятся ощутимо липкими даже для пальцев).

Но тем не менее формула, учитывая поправку на коэффициент, работает очень хорошо, и спортивное пилотирование автомобиля – это во-многом работа именно с этой формулой.

Почему наклоняется автомобиль и как это влияет на его сцепление с дорогой

Итак, мы выяснили, что автомобиль стоит на дуге поворота до тех пор, пока сила трения способна уравновесить силу инерции; что сила трения зависит от веса, который приходится на колеса (а сила инерции зависит от массы автомобиля).

Вес – это сила, с которой тело воздействует на опору. Если мы говорим про стоящий автомобиль и Землю, то вес автомобиля совпадает с силой тяжести, и равен произведению его массы на ускорение свободного падения, P=mg. Полный вес автомобиля складывается из суммы весов его колёс.

Стоит автомобилю начать испытывать ускорения (то есть разгоняться, тормозить или поворачивать) — и разные колёса начинают весить не так, как они весили на автомобиле в состоянии покоя либо равномерного прямолинейного движения.

Проще всего объясняет этот эффект следующая картинка:

Для примера рассматривается торможение автомобиля. Сила трения, которая замедляет автомобиль, приложена в точках касания колёс и дороги, а сила инерции, стремящаяся не дать автомобилю затормозить, приложена к его центру масс, и эта точка – всегда выше поверхности дороги. Поэтому возникает вращающий момент, старающийся развернуть автомобиль носом в землю. Видимое следствие этого явления нам всем хорошо знакомо – при торможении автомобиль наклоняется вперед. Следствие невидимое – передние колёса автомобиля начинают весить гораздо больше, чем весили на автомобиле в состоянии покоя либо равномерного прямолинейного движения, а задние – намного меньше.

Сколько конкретно веса перейдет с задней оси на переднюю, зависит от высоты центра масс автомобиля (именно поэтому на спортивных автомобилях стараются опустить центр масс как можно ниже), колесной базы — для среднего гражданского автомобиля при торможении с ускорением 1g (это торможение «в пол») порядка 300 кГ веса переходит с задней оси на переднюю. Крайне немало!

Читайте также:  Когда нужно менять шины на автомобиле

Ровно по этой же причине разгоняющийся автомобиль загружает задние колеса и разгружает передние, а поворачивающий – разгружает внутренние и загружает внешние. И, как мы теперь знаем, изменяющийся вес изменяет и силу трения, то есть способность конкретного колеса противостоять инерции. То есть в разных режимах движения способность разных колёс противостоять инерции различна – и баланс этих соотношений изменяет характер поворачиваемости автомобиля. Все спортивные приёмы пилотирования учитывают этот эффект, а многие на нём построены.

Тут всё просто. Как только сила инерции становится больше силы трения, автомобиль начинает движение в сторону, в которую его толкает сила инерции – наружу поворота. Если сумма сил трения задних колёс больше, чем сумма сил передних, то есть инерция начинает первой выносить наружу поворота переднюю ось, то говорят, что автомобиль испытывает недостаточную поворачиваемость (потерю управляемости, снос, understeer — другие названия этого явления). Если сумма сил трения задних колёс меньше, чем передних, и инерция вынос автомобиля наружу начинает с задней оси, то автомобиль испытывает избыточную поворачиваемость (потерю устойчивости, занос, oversteer).

Педали газа и тормоза – это те инструменты, которыми пилот может изменять силу трения на передних и задних колёсах, таким образом регулируя поворачиваемость автомобиля.

Но чтобы поподробнее поговорить об этом, нам нужно разобраться ещё с одним важнейшим моментом.

Окружность Камма – совершенно замечательная вещь

Как было показано выше, сила трения каждого колеса и дороги изменяется в зависимости от веса, который приходится на это колесо. Так же, кстати, её можно (и нужно) менять и настройками подвески автомобиля (собственно, в этом вся настройка подвески и состоит – отрегулировать силы трения каждого из колёс, придав им величину и необходимый баланс), но об этом в другой раз, а сейчас хочу поговорить, как сила трения, которую максимально способна дать шина, расходуется на торможение, разгон и повороты, а так же в комбинацию.

Как это объяснить очень просто, наглядно и ярко, придумал профессор и автомобильный инженер Wunibald Kamm, так что мне остаётся только рассказать об этом. На рисунке ниже вы видите так называемую «окружность Камма», или traction circle, «окружность сцепления».

Все ещё помнят, что такое абсцисса и ордината? 🙂 Тогда человеческими словами (как складывать вектора, надеюсь, вы помните). Итак:

Красные стрелочки вверх и вниз – это силы трения, которые требуются в пятне контакта шины и дороги на разгон и торможение. Желтые, влево и вправо – при поворотах. Если автомобиль одновременно поворачивает и разгоняется, то красный и желтый вектора складываются в оранжевый. А окружность – это максимальная сила трения, которую способна дать шина. Как только сумма векторов выйдет за пределы этой окружности – шина начнет скользить.

Из этой картинки, в частности, видно, что если автомобиль тормозит с предельно возможным ускорением, то поворачивать он уже не может – стоит повернуть руль даже совсем чуть-чуть, и к предельно длинному красному вектору добавится желтый, и пусть он будет совсем крошечным, но их сумма выйдет за пределы окружности – шина подскользнётся. Аналогично, в предельном повороте нельзя коснуться тормоза или газа. Если водитель, тормозя «в край», хочет ещё и повернуть руль – он должен приотпустить педаль, уменьшив красный вектор и дав возможность его сумме с желтым остаться в пределах окружности.

Эта окружность – это то, что в забито в подсознание каждому автоспортсмену, и на игре с ней основано всё спортивное пилотирование автомобиля.

Так как же едет автомобиль

Как это происходит в динамике, очень наглядно показывает следующее видео. На нем изображено и то, как работает перераспределение веса, о котором мы говорили раньше, и то, как работает сила трения в рамках «окружности Камма».

От добавления газа машина немного переносит вес на задние колеса – и поэтому задние окружности больше передних — сила трения, которую способны развить задние колёса, увеличилась.

И на передних колёсах появились желтые палочки – силы трения, которые держат автомобиль в повороте, а на задних они же встали по-диагонали, т.к. это сумма векторов продольного и поперечного — тяги и поворота.

Тут всё то же самое, что и на предыдущем кадре, только в другую сторону, и кружочки стали красными, а векторы сил вышли за их пределы – все колеса поскользнулись и автомобиль несет наружу. (Кстати, это ошибка пилотирования — пилот должен был позаботится о том, чтобы передние колёса не подскользнулись… в реальности у него скорее всего не получилось бы контрсмещения, т.к. для уверенного возникновения заноса нужно, чтобы передние колеса автомобиля цеплялись за дорогу.)

Не правда ли, наглядно?

Тут было бы самое время поговорить о грамотном управлении автомобилем. О том, почему педаль газа (на любом приводе!) – это педаль сцепления автомобиля с дорогой, педаль баланса; почему люди чаще всего теряют контроль над автомобилем на торможениях и как этого избежать; почему попадает в занос переднеприводный автомобиль; почему заднеприводный автомобиль очень часто под открытие газа начинает скользить передней осью наружу (как говорят спортсмены — провозит морду) и почему иногда его занос можно погасить, открыв газ; какие вообще есть приёмы пилотирования, основанные на работе с балансом… и так далее и тому подобное. Но это отдельная очень и очень большая тема.

Было бы самое время поговорить о том, что же происходит, когда шина начинает скользить.

И, да… я ведь обещал рассказать о том, как разница в типах привода влияет на поведение автомобиля… Видимо, это тоже придется отложить до следующего раза. Но без всего, что написано выше, без понимания того, как работает сила трения в пятне контакта шины и дороги, как складываются векторы поворота и тяги/торможения, рассказать о разнице поведении автомобилей с различным типом привода было бы невозможно.

Источник

Поделиться с друзьями
Практические советы по железу и огороду
Adblock
detector