Новый физический фейерверк
Шрифт:
Для того чтобы объяснить, отчего возникает разворот, рассмотрим трение между покрытием дороги и шиной, когда машина, у которой двигатель спереди, начинает поворачивать налево по отношению к первоначальному направлению движения (рис. 1.2б). Силы трения, приложенные к проскальзывающим задним шинам, направлены назад. Силы трения, приложенные ко все еще вращающимся передним шинам, параллельны передней оси и направлены налево и частично назад. Все эти силы создают крутящий момент, стремящийся развернуть машину в горизонтальной плоскости вокруг ее центра масс. Момент сил, приложенных к передним колесам, больше, и он пытается развернуть машину в том же направлении, в котором машина уже начала вращаться. Таким образом, угол поворота все растет, и машина разворачивается.
Если же двигатель расположен
Согласно стандартным рекомендациям, если вашу машину начинает закручивать, вы должны выворачивать передние колеса в сторону первоначального движения. При этом вы создадите крутящий момент, приложенный к передним колесам, который будет препятствовать закручиванию. Но если вы не самый опытный водитель, то можете перестараться – и машину закрутит в противоположном направлении.
1.7. Скользить или не скользить
Предположим, что вы едете по шоссе и тут на дорогу выскакивает огромный лось. Предположим также, что в машине нет АБС (антиблокировочной системы). Должны ли вы тормозить юзом, для чего надо как можно сильнее нажать на тормоз и тем самым блокировать колеса, или же следует нажимать на тормоз лишь до тех пор, пока не почувствуете, что скольжение вот-вот начнется, то есть колеса не блокировать? Если автомобиль входит в режим полного скольжения (режим юза), почему скольжение так резко заканчивается в конце тормозного пути?
ОТВЕТ • В учебниках обычно рекомендуют второй вариант, правильно отмечая, что машина останавливается именно из-за трения между дорогой и шинами. Если колеса крутятся, трение можно увеличивать до определенного уровня, выжав педаль тормоза до некоторой величины. Если вы нажмете на тормоз сильнее, колеса заблокируются, шины начнут проскальзывать, трение уменьшится и тормозной путь увеличится.
Наилучший способ, как пишут в учебниках, – сильно тормозить, но только до тех пор, пока не начнется проскальзывание, и тогда тормозной путь будет минимальным. На самом деле это не совсем верно, поскольку в таком случае тормозной путь может быть на 25 % длиннее, чем если бы вы заблокировали колеса и тормозили юзом.
Совет из учебника в экстренной ситуации может оказаться неправильным по двум причинам. Во-первых, у вас вряд ли будет время для экспериментов с тормозами. Вторая причина связана с крутящими моментами, создаваемыми силами трения между колесами и дорогой. Эти моменты стремятся наклонить машину, повернув вокруг горизонтальной оси, проведенной через центр масс (рис. 1.3), что уменьшает нагрузку на задние колеса и увеличивает на передние. Предположим, вы нажали на тормоз с таким усилием, что колеса еще крутятся, но еще чуть-чуть – и заскользят. Поскольку колеса все еще вращаются, а нагрузка на задние колеса уменьшилась, именно они (а не передние, испытывающие большую нагрузку) уже находятся на грани проскальзывания, и сила трения, приложенная к задним колесам, мала. Следовательно, общее трение у всей машины будет меньше, а тормозной путь – больше.
Рис. 1.3 / Задача 1.7. Машина наклоняется вперед при торможении.
Теперь предположим, что вы нажали на тормоз с такой силой, что заблокировали все колеса, то есть машина пошла юзом. При полном скольжении трение между колесами и покрытием дороги зависит от нагрузки на них. Поскольку нагрузка на передние колеса увеличена, сила трения между ними и дорогой велика. Но даже притом, что нагрузка на задние колеса мала, увеличенное трение между передними колесами и покрытием означает, что общее трение больше, чем в предыдущем случае, а следовательно, тормозной путь машины короче. И все же блокировать колеса без крайней необходимости не стоит, так как при скольжении теряется контроль над машиной,
Резкая остановка в режиме полного скольжения объясняется тем, что внезапно возрастает трение между шинами и асфальтом. При скольжении в области их соприкосновения в начале торможения образуется смазка из расплавившегося гудрона и резины (см. ниже задачу 1.8). Но при замедлении автомобиля количество расплавленного вещества – смазки – уменьшается, и трение внезапно возрастает.
1.8. Торможение юзом
При экстренном торможении, если колеса блокируются, шины начинают скользить по асфальту и на нем остаются следы. Предположим, машина начинает скользить на определенной скорости и останавливается. Влияет ли на длину тормозного следа вес машины? А рисунок протектора и ширина шин? Что, если «резина лысая»?
Почему остановить машину труднее, когда дорога лишь слегка мокрая, чем когда по ней ручьями течет вода?
ОТВЕТ • При экстренном торможении трение между шинами и дорогой сначала увеличивается до максимальной величины, а затем падает, когда колеса блокируются и начинают проскальзывать. При скольжении от шин отрываются кусочки, а дорога и сами шины нагреваются. Шина может расплавиться, а если дорога покрыта составом, содержащим битум, может расплавиться и он. В таком случае образуется жидкая смазка, и трение еще уменьшается.
Расплавленное вещество быстро вернется в твердое состояние, но след от проскальзывавших колес останется надолго, возможно, на несколько месяцев. Часто по всей длине следа тянутся бороздки, возникшие либо из-за рельефа покрышек, либо из-за того, что в основании дороги лежит рыхлый гравий.
На бетонированных покрытиях следы скольжения остаются редко, а если и остаются, то они почти невидимы и образованы в основном оторванными или расплавленными фрагментами шин.
Если машина весь путь до остановки проходит юзом и ни с чем не сталкивается, длина тормозного следа позволяет установить ее скорость в момент, когда скольжение началось. Правда, это значение скорости можно определить только ориентировочно, поскольку в этих расчетах используется слишком много параметров. Один из них – масса (или вес) автомобиля. Для тяжелого автомобиля тормозной путь до остановки немного длиннее, чем для более легкого, в первую очередь из-за того, что при большем весе образуется больше смазки. (В судах при разборе ДТП и в книгах по физике этим фактором пренебрегают.)
А еще длина тормозного следа зависит от состояния дороги: он короче, если асфальт содержит вкрапления камня, и длиннее, если он отполирован шинами большого количества машин. Длина тормозного пути не зависит от ширины шин, так как, в принципе, силы трения между шинами и дорогой зависят только от веса, который давит на шины, от рисунка протектора (а следовательно, от сцепления шин с поверхностью дороги), но не от их ширины.
Если дорога сухая, бороздки на шинах не сильно влияют на длину тормозного пути, если же дорога влажная, их влияние может оказаться существенным. Когда воды много, как, например, во время ливня, шины начинают скользить на тонком слое воды (аквапланирование). При этом движении трение почти нулевое, шины не соприкасаются с дорогой: поскольку вода не может найти выхода и вытечь из-под шин, они как бы парят над асфальтом. Чтобы уменьшить аквапланирование, на шинах делаются бороздки, которые направляют и выводят воду с нижней части шин наружу. Аквапланирование влияет еще сильнее, если до дождя дорога была грязной, потому что смешанная с водой грязь образует очень вязкую смазку – что-то вроде жидкой глины, и тогда трение между шиной и дорогой снижается еще сильнее. При экстренной остановке это может застать водителей врасплох – ведь они считали, что раз дождь только начался, то дорога еще не настолько намокла, чтобы началось аквапланирование. Зато после того, как дождь смоет грязь, а дорога высохнет, трение между шиной и дорогой станет больше, чем до дождя, поскольку грязи на ней не останется.