Коэффициент сцепления

«Понимать – понимаю, объяснить не могу», – именно такую фразу приходится слышать от водителей в ответ на вопрос: «Как взаимодействует колесо с дорогой?». Попробую объяснить, о чем идет речь, не прибегая к заумным терминам.

Наиболее точная наука о предсказании будущего – физика. Можно подойти к стенке, треснуться об нее головой и на практике почувствовать, что это больно. А можно вспомнить теорию: «Действие равно противодействию», – третий закон Ньютона. То есть, с какой силой человек ударяет стенку, пытаясь ее деформировать, с такой же силой стенка отвечает человеку, пытаясь деформировать его лобные кости.

Силы в природе всегда рождаются парами.

Зафиксируем на внешней стороне колеса точку. Обозначим ее траекторию относительно дороги.

Как видим, с момента касания до момента отрыва точка и дорога – неподвижны друг относительно друга. Вверху скорость точки относительно дороги в 2 раза выше скорости автомобиля (Рисунок 1).

В результате, средняя скорость движения точки равна скорости движения автомобиля.

Я понимаю, что само явление сложно себе представить. Вы только задумайтесь, что при скорости 100 км/ч колесо в верхней точке развивает скорость 200 км/ч.

Колесо «прилипает» к дороге, конечно, не одной точкой – она просто не выдержит вес автомобиля. Взаимодействие колес с дорогой происходит в «пятне контакта» – с дорогой контактирует множество точек одновременно (Рисунок 2).

Подчеркиваю ключевой момент. В пятне контакта колесо неподвижно относительно дороги, хотя сам автомобиль движется.

При взаимодействии с дорогой под весом автомобиля слой шершавой резины в пятне контакта начинает деформироваться и приобретать форму шершавого асфальта. Асфальт в ответ также деформируется и приобретает форму резины. Эта деформация происходит до тех пор, пока не будут исчерпаны давящие сверху и снизу силы (Рисунок 3).

При разгоне колесо отталкивается от дороги в пятне контакта. Силы всегда рождаются парами, и в ответ дорога толкает автомобиль вперед (Рисунок 4).

При торможении автомобиля колесо упирается в дорогу, и дорога тормозит автомобиль (Рисунок 5).

Здесь уместна аналогия. Представьте, что мамаша, спешащая на работу, тянет ребенка в детский сад. Мамаша – сила инерции. Ребенок – усилие с тормозов. Ребенок упирается ногами. Колесо точно так же упирается в дорогу. Если упорство ребенка берет вверх, то система мамаша-ребенок останавливается.

Существует предельное значение силы, которое можно приложить к колесу при разгоне и торможении, когда пятно контакта остается неподвижным. Отношение давящей сверху силы к предельному усилию с двигателя или тормозов называется коэффициентом сцепления колеса с дорогой (Рисунок 6).

Можно выдохнуть. Самое сложное – позади.

Какова практическая польза от знания этой формулы?

Например, из нее следует, что усилие, передаваемое от двигателя на ведущие колеса, имеет предел. Если этот предел перейти, сильно нажав на педаль акселератора (в простонародье – педаль «газа»), то колеса будут бешено вращаться, а автомобиль останется на месте. Колеса просто не будут успевать оттолкнуться от дороги. (Пример).

Для торможения тоже существует предел. И если от души топнуть по педали тормоза, то колеса сорвутся на скольжение. При скольжении деформации, показанной на рисунке 4, не происходит, колеса в дорогу упираются плохо, и тормозной путь увеличивается.

На основании приведенной формулы можно немного поковыряться в голове у водителя.

В среднестатистическом автомобиле передвигается либо один водитель, либо водитель и пассажир. Водитель привыкает давить на педаль тормоза с определенным усилием, боясь сорваться на скольжение. Когда автомобиль полностью загружен, то давящая сверху сила больше, следовательно, давить на педаль тормоза можно сильнее. Но привычка – вторая натура. И водитель давит на педаль тормоза точно так же, как и на пустом автомобиле. В результате тормозной путь загруженного автомобиля увеличивается.

Напоследок, еще три примера.

При увеличении скорости время на взаимодействие колеса с дорогой уменьшается, и для каждого конкретного колеса и конкретного покрытия существует конечная скорость, когда взаимодействие колеса и дороги заканчивается, и автомобиль становится неуправляемым.

В поворотах колесо отталкивается от дороги не только в продольном направлении, но и под углом к ней. Часть взаимодействия колеса и дороги уходит на совершение поворота. Потому при разгоне или торможении в повороте автомобиль гораздо легче срывается в занос. Тормозить необходимо до поворота, а сам поворот проходить на постоянной скорости.

Вода – несжимаема. Попав в пятно контакта, она не позволяет колесу взаимодействовать с дорогой, коэффициент сцепления падает до нуля, и в результате получаем такое явление, как аквапланирование. Не знаете, что такое коэффициент сцепления – готовьте 8 млн руб.

«Три пути ведут к знанию: путь размышления – это путь самый благородный, путь подражания – это путь самый легкий и путь опыта – это путь самый горький». Конфуций.