Если предположить, что все системы ABS работают одинаково и в достаточном объёме, а аэродинамикой можно пренебречь, то являются ли шины единственным фактором, влияющим на тормозной путь?

Предисловие

В итоге я хорошенько поразмыслил над этим и провёл небольшое исследование, так что, думаю, я могу с тем же успехом написать о том, что я выяснил. Спасибо всем, кто ответил, особенно BobCross. Но в конце концов я хотел получить ответ, который не сводился бы к тому, что автомобиль — это загадочная коробка на колёсах. Я задал этот вопрос, потому что действительно хочу разобраться.

Вводные шины

Если рассматривать ситуацию, когда автомобиль обладает достаточной тормозной мощностью, чтобы заблокировать колёса, и не принимать во внимание аэродинамику, то шины являются определяющим фактором тормозной способности. При этом существует множество факторов, влияющих на то, насколько хорошо шины сцепляются с поверхностью.

Вес автомобиля

Тормозная сила автомобиля — это сила трения. При исправной системе ABS колеса катятся, соприкасаясь с дорогой, поэтому мы в первую очередь говорим о статическом трении. Из-за мягкости шин происходит некоторое проскальзывание, но оно близко к статическому.

Согласно основам физики, сила трения равна произведению нормальной силы на коэффициент трения, то есть:

Ff = µ * Fn

где Ff — сила трения, µ — коэффициент трения, а Fn — сила нормальной реакции опоры.

Однако с шинами всё немного сложнее. Во-первых, коэффициент трения уменьшается по мере увеличения нормальной силы (подробнее см. в этой статье Википедии). Ниже приведены данные из этой статьи:

Vertical load   µ

(lbf)           max

900             1.10

1350            1.08

1800            0.97

Из предыдущего уравнения следует, что тормозной путь обратно пропорционален силе торможения, поэтому при указанных выше данных увеличение массы в два раза приводит к уменьшению µ на 12 % и, следовательно, к увеличению тормозного пути на 14 %. Почему? Это уравнение:

v_1^2 = v_0^2 + 2ad

То есть при заданных начальной и конечной скоростях ускорение обратно пропорционально расстоянию.

Таким образом, чем больше вес, тем больше тормозной путь, но эта зависимость лишь слегка положительная и точно не линейная.

Примечание: увеличение веса автомобиля повышает риск ухудшения тормозных характеристик, но это выходит за рамки данного вопроса

Приостановление действия

Что касается торможения, то подвеска важна для:

1. Чтобы шины не буксовали на дороге


2. Равномерное распределение веса по шинам. Неравномерное распределение веса, например при резком снижении, снижает общую эффективность торможения, поскольку, как мы видим, сцепление с дорогой не увеличивается линейно с ростом нагрузки.

Более жёсткая подвеска определённо помогает в (2), однако для (1) просто нужна идеальная настройка жёсткости/отскока для конкретной дороги — всё, что обеспечивает наилучшее сцепление шин с дорогой. Для качественного асфальта, скорее всего, лучше всего подойдёт жёсткая и быстрая настройка.

Шасси

Всё, что нужно шасси для торможения, — это действовать как жёсткий корпус между элементами подвески, чтобы подвеска могла выполнять свою работу. Таким образом, это может повлиять на результат, но не сильно, если только шасси не совсем отстойное.

ПРЕСС

EBD является частью системы ABS, поэтому вы не можете по-настоящему проанализировать соотношение хорошего и плохого ABS, не принимая во внимание выгоды от EBD.

Хорошая система ABS может прикладывать разное тормозное усилие к разным колёсам, поэтому она может тормозить эффективнее человека просто за счёт большего количества элементов управления. Однако на качественном асфальте разница в тормозном усилии на левом и правом колёсах, вероятно, не так заметна.

Трудно сказать, действительно ли существуют некачественные системы ABS, но это вполне возможно.

Заключение

Шины, безусловно, играют важную роль в торможении, если у вас уже есть мощные тормоза с хорошей системой ABS. Однако есть и другие факторы, которые имеют большое значение.

А если вы выйдете за рамки однократного торможения без учёта аэродинамики, то тогда... вам придётся учитывать аэродинамику, так как на высоких скоростях она имеет огромное значение, и предположение о том, что тормоза блокируют колёса, больше не является верным после многих агрессивных кругов на треке с автомобилем, развивающим мощность в несколько сотен киловатт. Куда девается вся эта мощность?

Если коротко, то на тормозной путь влияют следующие факторы:

1. Вес автомобиля,


2. «Сцепление» шины. Чем мягче и шире шина (и чем меньше в ней давления), тем лучше.


3. Правильное распределение тормозного усилия между всеми шинами. В идеальном случае на все четыре шины будет приходиться одинаковое тормозное усилие (но см. следующий пункт)


4. степень, в которой нагрузка на каждое колесо одинакова. При торможении центр тяжести автомобиля смещается вперёд. Это означает, что на передние тормоза приходится от 60 % до 80 % тормозного усилия. Если бы это соотношение можно было увеличить до 50/50, это бы помогло. *


5. Подвеска и амортизаторы, которые обеспечивают максимально возможный контакт каждого колеса с дорогой.

*Что касается пункта № 4: крайне непрактично настраивать компоненты подвески автомобиля таким образом, чтобы центр масс распределялся поровну во время торможения. Я не думаю, что это вообще возможно с физической точки зрения. Но если бы это было возможно, у вас была бы очень жёсткая и неудобная передняя подвеска, в то время как задняя была бы мягкой, как зефир.

Следует помнить, что главным критерием во всём этом является коэффициент трения шины. Он зависит от давления в шинах. Если бы у вас был автомобиль с хорошими шинами, накачанными до нужного давления, и вы ехали по ровной холодной дороге, торможение было бы оптимальным. Любое отклонение от этой, условно идеальной, ситуации ухудшит эффективность торможения. Дорожные условия, качество шин, давление в них, погода и техническое состояние автомобиля — всё это влияет на эффективность торможения. Системы ABS обычно производятся для конкретных автопроизводителей, то есть одна и та же система используется во многих марках и моделях. Все системы ABS, которые вы найдёте, будут неотличимы друг от друга. Разница будет в цене, так как некоторые производители импортируют компоненты, которые были изготовлены специально для них в странах, где меньше проблем с рабочей силой, охраной труда и безопасностью, что делает их дешевле. (Volkswagen не производит собственные коробки передач, они производятся в Японии.) Михаэль Шумахер мог пользоваться телеметрией, GPS и услугами Росса Брауна, а также имел неограниченный доступ к гоночной трассе, чтобы практиковаться и совершенствовать своё торможение. О да, у него ещё и талант был :-).

кратко: Нет.

Подобные вопросы о динамике транспортных средств лучше всего задавать специалистам по динамике гоночных автомобилей

Далее следует базовое обсуждение на уровне школьной программы по физике. Как вы увидите из справочного текста, школьной программы по физике недостаточно для статического моделирования всей системы транспортного средства. Для согласования с легкодоступными экспериментальными данными требуется динамическая модель.

Если предположить, что тормозные колодки способны блокировать колёса, а система ABS
не учитывает прижимную силу, то всё сводится к шинам?

Нет.

Вес автомобиля. Физика говорит мне, что сила трения пропорциональна
нормальной силе, поэтому я решил, что это не имеет значения

Неверно. Масса является доминирующим фактором.

Ваше критическое уравнение выглядит так:

где

d Это ваш тормозной путь, и, как видите, он определяется вашим ускорением a (в вашем случае — замедлением), вашей начальной скоростью v_0 и временем, необходимым для того, чтобы снизить скорость до нуля t. F — это сила замедления всего транспортного средства и его тормозной системы, а m — масса транспортного средства.

Для полноты картины: чтобы найти t, лучше всего использовать уравнения энергии. Однако двух приведённых выше уравнений достаточно для численного приближения в любой электронной таблице.

Таким образом, при прочих равных условиях можно легко заметить, что масса транспортного средства доминирует во всей системе. Если ничего не менять, то более лёгкое транспортное средство остановится быстрее (при той же силе ускорение будет выше). Два одинаковых автомобиля с разным количеством пассажиров будут замедляться с разной скоростью.

Экспериментальное подтверждение: Всё это обсуждение — забава, но фундаментальная физика должна подтверждаться (или опровергаться) с помощью эксперимента.

Необходимые материалы:

1. Полностью заправленный автомобиль.


2. Измерительная трасса для испытаний на торможение при скорости 96 км/ч (то есть прямая дорога, знак «Тормози здесь» и 10-метровые маркеры).


3. Дополнительная нагрузка в виде 20 пятидесятифунтовых мешков с песком.

Процедура:

1. Проведите десять испытаний на торможение со скорости 96 км/ч без дополнительной нагрузки. Измерьте расстояние, необходимое для остановки в каждом заезде. Обратите внимание, что при последовательных заездах может произойти износ тормозов (расстояние будет увеличиваться по мере нагрева тормозов).




2. Заправь машину.




3. Добавьте в автомобиль 10 мешков с песком весом 50 фунтов каждый (в общей сложности 500 дополнительных фунтов). Повторите те же испытания на торможение со скорости 60 миль в час на том же участке. Запишите расстояние, которое необходимо преодолеть, чтобы остановиться. Обратите внимание, что расстояние, необходимое для остановки, увеличилось. Обратите внимание, что при повторных заездах эффективность тормозов снижается все сильнее (то есть расстояние, необходимое для остановки, увеличивается все быстрее).




4. Заправь машину.




5. Добавьте ещё 10 мешков с песком по 50 фунтов (всего 1000 дополнительных фунтов). Повторите те же испытания на торможение. Обратите внимание, что тормозной путь стал намного длиннее. Обратите внимание, что при последовательных торможениях эффективность тормозов снижается гораздо быстрее (возможно, до такой степени, что тормоза перестают работать).

Заключение:

Возвращаясь к нашим исходным уравнениям, мы видим, что при увеличении m заметно возрастает расстояние d и время t, необходимое для остановки. Если бы F была чисто кинетической или статической силой трения, мы бы ожидали, что она будет линейно увеличиваться с m, что привело бы к почти одинаковому времени остановки.

Поскольку это не так, мы можем сделать вывод, что F не является идеализированной силой трения.

Таким образом, если предположить, что шины и тормоза способны удерживать шины с
максимальной статической силой, я не понимаю, почему масса может увеличивать тормозной
путь.

Да, ситуация была бы очень простой, если бы автомобиль представлял собой идеальный цельный блок из учебника физики (то есть сферическую курицу). В своём комментарии вы в нескольких местах заменяете m на одно и то же, как будто это всегда одно и то же для каждого колеса. Так было бы, если бы мы говорили о задаче по физике. К сожалению, реальный автомобиль — это полая коробка на пружинах, которая ездит на круглых баллонах из резины и стали.

Когда вы говорите о нормальной силе, вы имеете в виду силу, с которой шина соприкасается с дорожным покрытием. Эта ситуация соответствовала бы базовой функции трения только в том случае, если бы автомобиль стоял на месте с заблокированными тормозами. Чтобы толкать эту тяжёлую машину по парковке (предположительно, с визгом шин), потребуется определённая сила. Тяжёлый автомобиль => толкать сложнее.

К сожалению, ни одно из вышеперечисленных утверждений не соответствует действительности.

На самом деле сила, используемая для кинетического трения при остановке автомобиля, исходит не от шин. На самом деле это сила, с которой тормозные колодки воздействуют на роторы (или барабаны, но я предполагаю, что речь идёт о дисковых тормозах, чтобы было проще на что-то указать). Именно сила их прижима замедляет колесо. Это приводит к замедлению автомобиля только в том случае, если шины статически сцеплены с поверхностью. Колесо, которое перестаёт вращаться, буксует, а не тормозит.

Жёсткость подвески — это уменьшило бы крены передней части, но влияет ли
это вообще на тормозной путь?

Отбойный механизм подвески — плохой отбойный механизм
может привести к кратковременным зависаниям в воздухе, если дорога неровная. Будет ли
это существенно?

Жесткость шасси - может ли шасси, которое немного больше деформируется
при больших нагрузках, вызвать пробуксовывание шин или что-то в этом роде?

Всё, что увеличивает площадь контакта шины с дорогой, повышает способность дороги создавать крутящий момент на колесе (и наоборот). Большая площадь контакта хорошо сцепляется с дорогой, колесо продолжает вращаться, а тормоза могут использовать большее усилие сцепления, прежде чем колесо остановится и шины заскользят. Меньшая площадь контакта плохо сцепляется с дорогой, что приводит к заносу с гораздо меньшим усилием сцепления.

Именно здесь ваша система ABS пытается оптимизировать сложную ситуацию: она старается не допустить полной остановки всех колес, ослабляя и снова усиливая тормозное давление почти до предела сцепления с дорогой. Именно такую модуляцию тормозов будет пытаться воспроизвести опытный водитель.

Почему хуже, когда большая часть нагрузки приходится на две шины вместо
четырех?

Опять же, эффективность тормозной системы полностью зависит от использования тормозных дисков и силы сжатия, которую они могут обеспечить до блокировки колёс. Когда вес смещается на задние шины, площадь их контакта с поверхностью стремится к нулю. В результате тормозная система не может обеспечить большую силу сжатия до блокировки этих колёс (то есть они уже не участвуют в процессе).

Однако смещение веса вперёд увеличило площадь контакта передних шин, но не вдвое (это связано со многими факторами, в том числе с тем, что каждая шина представляет собой наполненный воздухом баллон, который не расширяется линейно при увеличении веса, который он поддерживает). В результате на каждую переднюю шину теперь приходится менее чем в два раза больший крутящий момент, чем на каждую шину до переноса веса. Следствие: каждый передний ротор может сжиматься с большей силой, но не в два раза сильнее, что приводит к снижению эффективности торможения и увеличению тормозного пути.

Качество ABS — если не учитывать систему экстренного торможения, есть ли существенная разница в
эффективности ABS в разных моделях автомобилей?

На этот вопрос можно ответить только с учётом конкретной ситуации. Каков сценарий? Какие шины используются? Снег или лёд, песок или дождь? Холодные или горячие шины?

В целом любая современная система ABS лучше, чем её отсутствие. Она близка к оптимальной по сравнению со средним уровнем осведомлённости водителя о ситуации и временем его реакции.

Может ли очень опытный водитель тормозить без ABS лучше, чем с ABS?

Я твёрдо верю, что Михаэль Шумахер мог бы обогнать меня на трассе на том же автомобиле, независимо от того, какую систему ABS я бы использовал.

Ну и что?

Если только вы не чемпион «Формулы-1» (или не кто-то из его уровня), я скажу вам, что это бессмысленное сравнение, когда речь идёт о вождении в реальном мире, на реальных дорогах с реальными людьми, которые не уделяют этому столько внимания, сколько следовало бы.