www.nygma.gr - ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ (Αυτοκίνητο 2001)
| 1. Η σημασία των ελαστικών | 2/4/2001 |
Οτιδήποτε κάνει ένα αυτοκίνητο, το κάνει με τα λάστιχα. Το μεγαλύτερο μέρος των δυνάμεων που κυβερνούν το αυτοκίνητό μας, αναπτύσσεται μεταξύ των ελαστικών και του οδοστρώματος. Σαφώς, υπάρχουν και οι αεροδυναμικές δυνάμεις, που αναπτύσσονται κατά την κίνηση του αυτοκινήτου μέσα στην ατμόσφαιρα, όμως στην περίπτωση των συμβατικών αυτοκινήτων δε σχετίζονται τόσο με την οδική συμπεριφορά, όσο με την κατανάλωση καυσίμου...
Επιστρέφουμε στα λάστιχα. Καταρχήν, αυτά παραλαμβάνουν το βάρος του αυτοκινήτου. Κι επειδή το κάνουν αυτό, είναι σε θέση να αναπτύξουν τριβή μεταξύ της επιφάνειάς τους και του οδοστρώματος. Αυτή ακριβώς η τριβή είναι που επιτρέπει στο αυτοκίνητο να σταθμεύει, να επιταχύνει, να φρενάρει αλλά και να στρίβει. Αντιθέτως προς την κλασσική τριβή, που είχαμε μάθει στη φυσική του λυκείου, αυτή εδώ εξαρτάται άμεσα από τη συνολική επιφάνεια επαφής. Μεγαλύτερη επιφάνεια επαφής μεταξύ ελαστικών και οδοστρώματος, σημαίνει μεγαλύτερη δυνατότητα για ανάπτυξη τριβής. Οι τρόποι που διαθέτουμε για να αυξήσουμε την επιφάνεια επαφής είναι δύο: Μπορούμε να αυξήσουμε το πλάτος των ελαστικών, ή τη συνολική τους διάμετρο. Για διάφορους λόγους, συνήθως αποφεύγουμε την αντικατάσταση των ελαστικών μας με άλλα, μεγαλύτερης διαμέτρου, ενώ αρκετές φορές καταφεύγουμε στην αγορά ελαστικών μεγαλύτερου πλάτους.
Το βασικό ζητούμενο από τα ελαστικά μας είναι να ολισθαίνουν όσο το δυνατό λιγότερο κατά τις επιβραδύνσεις, τις επιταχύνσεις και τις αλλαγές πορείας. Ιδανικά, θα θέλαμε τα λάστιχά μας να εκτελούν συνεχώς κύλιση, χωρίς ίχνος ολίσθησης. Ας εξετάσουμε όμως, ποιες βασικές δυνάμεις ασκούνται στα ελαστικά, πώς και υπό ποιες προϋποθέσεις εμφανίζεται η ολίσθηση και τέλος, γιατί είναι ανεπιθύμητη.
Οι δυνάμεις στα ελαστικά
Χωρίζονται, καταρχήν, σε διαμήκεις και εγκάρσιες. Όταν πατάμε το γκάζι για να επιταχύνουμε σε ευθεία τροχιά, τότε, καθώς οι τροχοί περιστρέφονται προς τα εμπρός, ασκούν μια διαμήκη δύναμη στο έδαφος, με φορά προς τα πίσω. Το έδαφος με τη σειρά του ασκεί μια διαμήκη δύναμη στο ελαστικό, με φορά προς τα εμπρός. Η δύναμη αυτή είναι παράλληλη με το επίπεδο του τροχού και το σημείο εφαρμογής της βρίσκεται κάπου πάνω στην επιφάνεια επαφής του ελαστικού με το δρόμο. Αντίστοιχα, κατά το φρενάρισμα σε ευθεία τροχιά, το ελαστικό ασκεί μια διαμήκη δύναμη στο δρόμο προς τα εμπρός, ενώ ο δρόμος ασκεί μια δύναμη στο ελαστικό προς τα πίσω. Στο σχήμα 1, με κόκκινο βέλος συμβολίζουμε τις δυνάμεις που ασκούνται στο ελαστικό, ενώ με πράσινο, τις δυνάμεις που ασκούνται στο δρόμο, σε περίπτωση επιτάχυνσης και φρεναρίσματος. Και στις δύο περιπτώσεις το όχημα κινείται από τα αριστερά προς τα δεξιά.
Σχήμα 1
Πέρα από τις διαμήκεις δυνάμεις, στα ελαστικά όλων των αυτοκινήτων αναπτύσσονται και δυνάμεις που είναι κάθετες στο επίπεδο του τροχού, οι λεγόμενες εγκάρσιες δυνάμεις. Οι δυνάμεις αυτές εμφανίζονται όταν το όχημα διαγράφει καμπύλη τροχιά – κοινώς στρίβει. Γνωρίζουμε από τη φυσική ότι αν ένα σώμα κινείται ευθύγραμμα και ασκήσουμε σ' αυτό μια δύναμη κάθετη στην τροχιά του, τότε το σώμα θα αρχίσει να διαγράφει καμπύλη τροχιά. Αυτή η δύναμη είναι η λεγόμενη κεντρομόλος δύναμη. Χαρακτηριστικό παράδειγμα κεντρομόλου δυνάμεως είναι αυτή που ασκούμε στο βαρίδι στην άκρη της πετονιάς μας, όταν το περιστρέφουμε βίαια, λίγο πριν το αμολήσουμε, ψαρεύοντας απ' την ακτή. Αντίστοιχα, το βαρίδι ασκεί κι αυτό – μέσω της πετονιάς – μια δύναμη στο χέρι μας, τη λεγόμενη φυγόκεντρο. Η φυγόκεντρος είναι η αδρανειακή αντίδραση του περιστρεφόμενου σώματος στην κεντρομόλο, και εκφράζει την τάση του σώματος να απομακρυνθεί από το κέντρο περιστροφής του. Ακριβώς τα ίδια ισχύουν και στο αυτοκίνητο. Για να το αναγκάσουμε να κινηθεί σε καμπύλη τροχιά, πρέπει να του εξασφαλίσουμε μια κεντρομόλο δύναμη, ενώ ταυτόχρονα εμφανίζεται η φυγόκεντρος, που είναι η αδρανειακή αντίδραση στην κεντρομόλο, έχει το ίδιο μέτρο μ' αυτήν, αλλά τείνει να απομακρύνει το αυτοκίνητο από το κέντρο περιστροφής του. Η κεντρομόλος δύναμη στο αυτοκίνητο, εξασφαλίζεται από τα ελαστικά. Κάθε ένα από τα 4 ελαστικά του αυτοκινήτου αναπτύσσει ένα ποσοστό της απαραίτητης κεντρομόλου δύναμης για να στρίψει το αυτοκίνητο. Η διανυσματική πρόσθεση των ποσοστών αυτών οδηγεί στη συνολική κεντρομόλο. Το ποιο είναι ακριβώς το ποσοστό κάθε ελαστικού, εξαρτάται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του αυτοκινήτου και την κατανομή βάρους εμπρός-πίσω. Στο σχήμα 2, τα κόκκινα βέλη συμβολίζουν την εγκάρσια δύναμη που αναπτύσσει κάθε ελαστικό, προκειμένου να συμβάλει στην εξασφάλιση της απαραίτητης κεντρομόλου. Το γαλάζιο βέλος συμβολίζει τη συνισταμένη φυγόκεντρο δύναμη, που θεωρούμε ότι ασκείται στο κέντρο μάζας του αυτοκινήτου. Αν προσθέσουμε διανυσματικά τα τέσσερα κόκκινα βέλη παίρνουμε το κίτρινο βέλος, δηλαδή τη συνισταμένη κεντρομόλο που έχει ίδιο μέτρο αλλά αντίθετη φορά με τη φυγόκεντρο.
Σχήμα 2
Ας δούμε όμως από ποιους παράγοντες εξαρτάται το μέτρο της κεντρομόλου δύναμης που απαιτείται για να κινηθεί ένα συγκεκριμένο σώμα πάνω σε μια συγκεκριμένη τροχιά. Καταρχήν, το μέγεθος της απαιτούμενης κεντρομόλου εξαρτάται από τη μάζα του σώματος, την ακτίνα της τροχιάς και την πρόσω ταχύτητα του σώματος. Για λόγους πληρότητας δίνουμε τη σχέση (αρκετά γνωστή από τη φυσική του λυκείου) που συνδέει αυτά τα μεγέθη:
Όπου m η μάζα του σώματος, U η πρόσω ταχύτητα και R η ακτίνα της τροχιάς.
Με απλά λόγια, η παραπάνω σχέση δείχνει ότι:
1) Η κεντρομόλος είναι ανάλογη με τη μάζα του σώματος, π.χ. διπλασιασμός της μάζας m συνεπάγεται διπλασιασμό της κεντρομόλου δύναμης.
2) Η κεντρομόλος είναι ανάλογη με το τετράγωνο της πρόσω ταχύτητας π.χ. διπλασιασμός της πρόσω ταχύτητας συνεπάγεται τετραπλασιασμό της κεντρομόλου, ενώ τριπλασιασμός της πρόσω ταχύτητας αυξάνει την κεντρομόλο κατά 9 φορές!
3) Η κεντρομόλος είναι αντιστρόφως ανάλογη της ακτίνας της τροχιάς, π.χ. μείωση κατά δύο φορές της ακτίνας, συνεπάγεται διπλασιασμό της κεντρομόλου.
Το συμπέρασμα είναι σημαντικό: Όσο πιο γρήγορα προσπαθούμε να κινηθούμε πάνω σε μια στροφή και όσο μικρότερη είναι η ακτίνα της στροφής αυτής, τόσο μεγαλύτερη κεντρομόλο δύναμη πρέπει να εξασφαλίσουμε, μέσω των ελαστικών, στο αυτοκίνητό μας.
Ακόμα πιο σημαντικό είναι το γεγονός ότι τα λάστιχά μας δεν έχουν τη δυνατότητα να παράγουν άπειρη κεντρομόλο, μια και ο συντελεστής τριβής μεταξύ του οδοστρώματος και του ελαστικού είναι περιορισμένος. Όταν λοιπόν ξεπεραστούν οι δυνατότητες πρόσφυσης του ελαστικού, αυτό θα αρχίσει να γλιστράει ανεξέλεγκτα. Όμως, πριν προχωρήσουμε στα γλιστρήματα, αξίζει να αναφερθούμε στον τρόπο που συμπεριφέρονται τα λάστιχα γενικότερα.
Οδική συμπεριφορά αυτοκινήτου: Εισαγωγή
1. Η σημασία των ελαστικών
2. Η συμπεριφορά των ελαστικών
3. Η απώλεια πρόσφυσης των ελαστικών
4. Υπο- Υπερστροφή: Οι μαγικές λέξεις της οδήγησης
|