Физика при торможении автомобиля его скорость

Физика для автомобилистов. Торможение

Пока лежал в больнице, понял, что для многих моих соседей-автомобилистов (а один из них был даже водитель Камаза!) физика (почти) неведома. А жаль!
Почему и возникла идея этой статьи.

Глава 1. Торможение

1-ая ситуация, в которой автомобилисту необходимо знание физики – это срочное торможение. Ибо в этом случае необходимо знать формулу тормозного пути. Согласно которой тормозной путь (то есть путь автомобиля до полной остановки)

l=v0^2/(2*mu*g)
где v0 — скорость автомобиля в начале торможения,
mu — коэффициент трения,
g — ускорение свободного падения.

Обратите внимание, уважаемые читатели, что начальная скорость здесь в квадрате! А это – существенно увеличивает тормозной путь.(так, при увеличении скорости в 2 раза тормозной путь увеличится в 4 раза)
Обратите также внимание, что тормозной путь, вопреки бытовому «знанию» физики, не зависит от массы машины.
(и открывается этот «ларчик» просто: да, сила трения тем больше, чем больше масса машины. Но вместе с тем и кинетическая энергия машины тем больше, чем больше масса машины, и притом ровно во столько же раз. Так что так на так и выходит.)

Превратим формулу в реальные числа, чтобы её значение (для практики) стало нагляднее. Возьмём v0=30 км/ч = 8,33 м/с (это соответствует пределу скорости, устанавливаемому, как правило, в черте городов знаками дорожного движения), mu=(0,5;0,75)(так я обозначаю интервал значений данной величины: от 0,5 до 0,75) g=9,81 м/с^2. В итоге получим, что тормозной путь по сухому асфальту:
l=8,33^2/(2*(0,5;0,75)*9,81)=(4,72; 7,07) м (то есть от 4,72 до 7,07 м)

По сухой грунтовой или гравийной дороге:
l=8,33^2/(2*(0,4;0,5)*9,81)=(7,07; 8,84) м

По влажному асфальту
(до начала аквапланирования.
Это особый режим движения, который возникает при больших скоростях машины, а также – существенно снижает коэффициент трения.):
l=8,33^2/(2*(0,35;0,45)*9,81)=(7,86; 10,10) м

По влажной грунтовой или гравийной дороге (до аквапланирования):
l=8,33^2/(2*(0,3;0,4)*9,81)=(8,84; 11,79) м

По гладкому льду:
l=8,33^2/(2*(0,15;0,25)*9,81)=(14,15; 23,58) м

Таким образом, что даже уже на сухой грунтовой или гравийной дороге тормозной путь превышает предполагаемые (в соответствии с бытовым «знанием» физики) значения. И это при том, что начальная скорость машины – взята в соответствии с ПДД. Но ведь не секрет, что допустимое (правилами и знаками) значение скорости нередко превышается, и даже в 2 раза! (то есть до 60 км/ч = 16,66 м/с . Да и это не предел!) Какой же тормозной путь мы получим в итоге?

По сухому асфальту:
l=16,66^2/(2*(0,5;0,75)*9,81)=(18,88; 28,28) м (то есть от 18,88 до 28,28 м)

По сухой грунтовой или гравийной дороге:
l=16,66^2/(2*(0,4;0,5)*9,81)=(28,28; 35,36) м

По влажному асфальту
(до начала аквапланирования):
l=16,66^2/(2*(0,35;0,45)*9,81)=(31,44; 40,40) м

По влажной грунтовой или гравийной дороге (до аквапланирования):
l=16,66^2/(2*(0,3;0,4)*9,81)=(35,36; 47,16) м

По гладкому льду:
l=16,66^2/(2*(0,15;0,25)*9,81)=(56,60; 94,32) м

Что представляет для нас совсем уже невообразимые значения! Но это – реальность.

***
Теперь задумаемся: а нет ли резона усовершенствовать данную формулу тормозного пути? Не забыли ли мы учесть в ней еще какие-то важные обстоятельства? Например, время реакции водителя – не критично ли для ситуации торможения? Конечно, критично, ведь пока водитель реагирует (на увиденную им ситуацию, требующую срочного торможения) машина (пока он не нажал еще на педаль тормоза) проедет еще некоторый путь. Поэтому в реальности тормозной путь будет больше:

где tр – время реакции водителя.
Понятно, что эта прибавка пути – становится тем более критичной, чем больше начальная скорость машины. Так, поскольку время реакции водителя составляет (в зависимости от психофизиологических особенностей водителя, его состояния, опыта, сложности дорожной обстановки и многих других факторов) от 0,4 до 1,6 секунды
(http://gai.ru/bilety-pdd/30/4/), то при скорости 36 км/ч = 10 м/с (это чуть больше, чем как правило устанавливается предел скорости движения по городу = 30 км/ч) эта прибавка к тормозному пути составит от 10*0,4 = 4 м до 10*1,6 =16 м.

Что, согласитесь, является весьма большой величиной.
А кроме того отсюда следует правило: держи дистанцию при движении по сухому асфальту (на скорости 30 км/ч) не менее (4;16)+(4,72;7,07=(8,88;23,07) м.
Конечно, при движении в пробке эта величина будет несколько меньше, но не думаю, что имеет смысл даже в пробке держать дистанцию менее 10 м.

(ведь нужно учитывать не только время реакции водителя, но и то, что тормозной путь даже при моментальной реакции будет больше 0. И составит по сухому асфальту при максимальной скорости 5 км/ч (0,13; 0,20) м, а при максимальной скорости 10 км/ч — (0,53; 0,79) м.
Отсюда еще вывод: при движении в пробке наиболее критичным для тормозного пути становится время реакции водителя.)

***
Задумаемся еще раз: а нет ли резона усовершенствовать данную формулу тормозного пути? Не забыли ли мы учесть в ней еще какие-то важные обстоятельства?
Конечно, забыли. Это движение в гору и под гору. Ибо 1-ое будет явно уменьшать тормозной путь, а вот 2-ое – увеличивать его.

Разберём сначала движение под гору. Общие (интутивные) соображения понятны, приведу теперь (без вывода, слишком он громоздок. кому интересен вывод — пишите, отвечу.) формулу тормозного пути:

l=v0^2/(2*g*cos(alfa)*(mu+tg(alfa)),
где alfa – угол наклона дороги к горизонту (если брать тот уклон, который указывается на знаках ДД, то это как раз и есть tg(alfa), но взятый в процентах)
Как видим, в отличие от предыдущей формулы, в знаменателе появляется положительное слагаемое +tg(alfa), которое и подтверждает то, что наши интуитивные соображения (об уменьшении в этом случае тормозного пути) верны. Давайте оценим, насколько. Возьмём для этого случай v0=30 км/ч = 8,33 м/с, движение по сухому асфальту, уклон 10%. (что соответствует углу alfa=arctg(0,10)=5,7 градуса => cos(alfa)= 0,995) Тогда получим:

l=8,33^2/(2*9,81*0,995*((0,5;0,75)+0,10)) = (4,18; 5,92) м
Что говорит о том, что максимальном коэффициенте трения для сухого асфальта
(реальное значение которого, понятно, зависит от состава, технологии укладки асфальтового покрытия (и срока службы, наверно, тоже) А поэтому очень неплохо было бы знать конкретное значение этой величины хотя бы для основных городских магистралей и наиболее актуальных (для данного водителя и машины) участков пути.
И которое поэтому целесообразно указывать в том числе на знаках ДД, как и уклон трассы)
влияние уклона в гору 5,7 градуса практически незначимо.
(т.к. тормозной путь уменьшается при этом всего на 0,5 м. Чего, правда, не скажешь о минимальном коэффициенте трения для сухого асфальта – уменьшение тормозного пути здесь составляет более 1 м.)

Что же нам сулит движение под гору? Вот формула для тормозного пути в этом случае:

l=v0^2/(2*g*cos(alfa)*(mu-tg(alfa)),
которая и подтверждает наши интуитивные догадки: т.к. в знаменателе появляется отрицательное слагаемое -tg(alfa), тормозной путь увеличивается, и тем больше, чем больше угол уклона под гору.
Оценим это влияние движения под гору численно. Возьмём те же самые значения начальной скорости, коэффициента трения и угла наклона. Получим

l=8,33^2/(2*9,81*0,995*((0,5;0,75)-0,10)) = (5,47; 8,89) м
как видим, для максимального значения коэффициента трения влияние уклона также незначительно. А вот для минимального значения коэффициента трения влияние уклона существенно больше: тормозной путь увеличивается почти на 2 м! (вместо уменьшения на 1 м при движении в гору)

Но на этом наши интуитивные догадки и заканчиваются. А вот точный анализ математики открывает еще одно обстоятельство: найдутся такие значения (А1-) alfa и mu, при которых mu-tg(alfa) станет tg(alfa)>mu => alfa> arctg(mu)) под гору затормозить нельзя! Т.к. равнодействующая сила такова, что работает не на торможение, а на разгон! (иными словами, работа равнодействующей положительна) И всё потому, что максимальное значение модуля силы трения – меньше так называемой скатывающей силы (которая является не самостоятельной силой, а следствием действия силы тяжести при движении под уклон), и притом – направленной (в данном случае) противоположно силе трения.

Вот вам, в заключение, уважаемые читатели, свидетельство точности самой точной науки – математики (но наряду с физикой)

Источник статьи: http://proza.ru/2015/11/24/1675

Физика торможения: неужели тормозной путь не зависит от массы авто?

Друзья, в прошлом выпуске я утверждал, что тормозной путь автомобиля не зависит от его массы. Большинство водителей считают, что зависит, и я объяснил, откуда берется это представление. В этой статья я докажу справедливость своего утверждения, прибегнув к физическим понятиям.

Подчеркну, что речь идет о кратчайшем, экстренном, то есть минимально возможном тормозном пути. То есть о тормозном пути при торможении на грани блокировки колес. В современных машинах при таком торможении срабатывает АБС (антиблокировочная система тормозов), а классические машины либо срываются в «юз», либо остаются на грани «юза», в зависимости от действий водителя.

Сначала докажу это «на пальцах». Утяжеляя машину, мы, с одной стороны, увеличиваем ее инертность и осложняем торможение. С другой стороны, мы сильнее прижимаем шины к дороге, увеличиваем сцепление шин с дорогой и повышаем тормозные возможности машины. Эти два эффекта компенсируют друг друга в равной степени, и, в конечном итоге, масса не влияет на длину тормозного пути.

Что такое «масса»?

Для интерсующихся приведу физико-математическое доказательство и вначале кратко расскажу о понятии «масса». Массы в природе две: инертная и гравитационная. Есть, правда, еще и третий вариант – Фелипе Масса, пилот Формулы 1, уже который год выступающий за Ferrari, но сейчас не об этом 🙂

Инертная масса

Инертная масса mи – масса, которая «отвечает» за сопротивление движению тела. Чем тяжелее тело, тем сложнее привести в его движение или остановить, если оно движется.

В механике об этом говорит 2-й закон Ньютона:

то есть ускорение (замедление) тела пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально инертной массе тела. Или в более привычной формулировке этот закон выглядит как

Инертная масса осложняет торможение

Это как раз то, о чем думает большинство водителей: чем тяжелее машина, тем сложнее ее остановить (а также и разогнать) и, якобы, тем длиннее тормозной путь. Остановить машину действительно сложнее, не спорю, но тормозной путь есть возможность сохранить — для этого нужно лишь затратить больше энергии. В этом нам поможет второе понятие массы.

Гравитационная масса

Гравитационная масса mг – масса, которая «отвечает» за взаимное притяжение тел, в частности, за притяжение тел к Земле. Чем тяжелее тело, тем больше сила тяготения и тем сильнее тело давит на опору (пол, дорогу и т.д.).

А об этом в механике говорит закон всемирного тяготения Ньютона:

Или, по-русски, сила притяжения двух тел пропорциональна массам (гравитационным) этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Эта формула упрощается для тела в поле тяготения Земли:

где mг – гравитационная масса тела, а g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2

Гравитационная масса помогает торможению

Применительно к разговору о тормозном пути это означает, что чем тяжелее машина, тем сильнее она давит на колеса, тем лучше прижимает их к дороге и тем лучше сцепление шин с дорогой. Ведь, согласно закону Кулона, сила сила трения покоя (в нашем случае — сила сцепления шин с дорогой, она же – «держак» на гоночном жаргоне) пропорциональна весу тела N:

Fтр = k N = k mг g

где mг – гравитационная масса машины, k – коэффициент сцепления шин с дорогой, g – ускорение свободного падения.

Одна масса мешает, другая — помогает. Что победит?

В итоге, инертная масса увеличивает инерцию машины, а гравитационная масса улучшает сцепление шин с дорогой и тормозной потенциал машины. Одно удлиняет тормозной путь, а другое пытается укоротить его. Что же победит?

Нам поможет Закон сохранения энергии

На языке физики процесс торможения выглядит как закон сохранения энергии:

т.е. кинетическая энергия машины с инертной массой mи и скоростью v при торможении переходит в тепло за счет работы силы трения Fтр, которая затрачивается на замедление машины на участке пути длиной s (собственно, тормозной путь).

Машина тормозит не тормозами, а шинами

Как я уже писал выше, сила трения Fтр равна kmг g – произведение коэффициента трения k, гравитационной массы mг и ускорения свободного падения g. И сразу вопрос: о какой силе трения идет речь? О силе трения колодок о тормозной диск? Или о силе трения шины о дорогу, о «держаке»? Вообще, первопричина торможения – сила трения колодок о диски. Но она не может превышать силу трения между шиной и дорогой: в этом случае шины начинают скользить, и, либо включается АБС, либо машина идет в «юз». После чего любое усиление нажатия на тормоз не дает выигрыша в торможении, и машина продолжает тормозить за счет трения шин о дорогу. Поэтому для случая экстренного торможения нужно считать, что сила трения колодок о диски равна силе сцепления шин с дорогой. И тогда k — коэффициент сцепления шин с дорогой, если шины на грани скольжения, или это коэффициент скольжения шин о дорогу, если колеса заблокированы, и машина тормозит юзом.

Тогда подставим значения силы сцепления Fтр = k mг g в закон сохранения энергии:

mи v2/2 = k mг g S

Инертная и гравитационная массы противодействуют друг другу в равной степени

А теперь ключевой момент! Еще Ньютон доказал, а Эйнштейн в свое время постулировал, что инертная и гравитационные массы равны! На сегодняшний день это проверено многократными экспериментами с высокой степенью точности. Эти массы имеют абсолютно разный физический смысл, но в килограммах это всегда одно и то же!

И тогда заменяем инертную и гравитационную массы на «просто массу»:

Теперь массы можно успешно сократить, и останется:

Отсюда получаем тормозной путь, не зависящий от массы:

где v – скорость движения машины до начала торможения, k – коэффициент сцепления шин с дорогой, g – ускорение свободного падения.

Еще раз смысл: с одной стороны, масса увеличивает инертность машины и создает препятствие тормозам. С другой стороны, масса увеличивает сцепление шин с дорогой и помогает тормозам. Эти два эффекта компенсируют друг друга в равной степени, и, в конечном итоге, масса не влияет на длину тормозного пути.

Скорость зависит только от водителя, g – постоянна, а коэффициент сцепления k зависит от состава резины протектора шины и от качества дорожного покрытия. Выходит, тормозной путь зависит от скорости, качества шины и качества дороги. При этом под качеством шины понимается именно состав резины. А от ширины профиля шины и площади пятна контакта сила сцепления шины с дорогой не зависит, как и не зависит тормозной путь.

Тормоза важны

Поговорим о тормозах. Размеры тормозных дисков, материалы колодок и прочее устройство тормозных механизмов важны для машины, но не могут влиять на тормозной путь напрямую, поскольку он ограничивается сцеплением шин с дорогой. Но хочу отменить следующее. Каждые тормозные механизмы расчитаны на погашение определенной кинетическиой энергии, которая пропорциональна массе и квадрату скорости. Обычно запас тормозов расчитывают так, чтобы даже Форд Фокус остановился с мешком картошки в багажнике со 100 км/ч за те же 40 метров, что и без мешка. Но вот ежели вы в машину загрузите лишних 500 кило, будьте готовы к тому, что ваши тормозные механизмы, рассчитанные под меньшую массу, перегреются и не справятся с задачей, и проедете вы куда больше прежних 40 метров.

Или еще пример. Можно взять Жигули со штатными тормозными дисками и колодками и поставить на нее гоночные слики. А что, на Формулах 1 как раз шины 13-дюймового диаметра, аккурат подойдут 🙂 Конечно, придется серьезно переделать саму машину, но это сейчас не столь важно. Так вот, слики имеют почти вдвое больший коэффициент сцепления с дорогой, а значит для торможения юзом на тормоза Жигулей ляжет нагрузка вдвое больше обычной. И вариантов развития событий тоже два: либо тормоза перегреются с первой же попытки, либо вовсе не смогут довести колеса до грани блокировки… И то, и другое означает для нас увеличение тормозного пути (по сравнению с тормозным путем на этих же сликах и гоночными тормозами) даже для пустой машины. А если ее еще и догрузить как следует, то ситуация еще более усугубится, и тормозной путь таких Жигулей еще как будет зависеть от массы авто.

Таким образом, мы можем говорить о независимости тормозного пути от массы машины, если она соответствует общепринятым нормам безопасности: на машине с загрузкой, не превышающей допустимую производителем, штатные тормоза должны быть способны заблокировать колеса (или включить АБС) на штатных шинах.

Однако главное при торможении — шины

Выходит, и Жигули, и Ferrari затормозят с примерно одинаковым тормозным путем, если тормоза у всех исправны, а на колеса установлены одни и те же шины. Возможна разница за счет разного времени срабатывания тормозной системы, а также за счет разных алгоритмов торможения водителя и АБС. Но эта разница будет куда меньше по сравнению с тем, когда одни и те же Жигули (или Ferrari) будут тормозить сначала на Michelin, а потом на отечественной Каме. Так что главное при торможении — шины!

Выше я уже написал, что в случае торможения на грани скольжения шин под k понимается коэффициент сцепления, а в случае торможения юзом при заблокированных колесах k — коэффициент скольжения шин по дороге. Известно, что трение скольжения всегда меньше трения покоя (сцепления), примерно на 10-15%. Соответственно, машина, тормозящая юзом, как правило, проходит на 10-15% больший путь до полной остановки по сравнению с машиной, тормозящей на грани скольжения. АБС не допускает блокировки колес, поэтому машины с АБС при нажатии тормоза «в пол» тормозят всегда на грани скольжения. А машины без АБС при торможении «в пол» сразу же уходят в юз. Хотя, при должном навыке водитель и без АБС может правильно дозировать усилие на педали и тормозить на грани скольжения. Например, машины в Формуле 1 не оснащены АБС, и пилоты тормозят на грани скольжения, а уход в юз считается ошибкой. Из написанного следует, что при одних и тех же шинах машина с АБС будет тормозить короче, чем машина без АБС юзом, но это справедливо только для гладких и твердых дорог. На рыхлых и неровных покрытиях машины с АБС проигрывают в тормозном пути машинам без АБС.

Кстати, не стоит сравнивать тормозные пути седана и фуры. Это не всегда корректно, поскольку там могут быть конструктивно разные тормоза (у грузовиков даже бывает не гидравлическая, а пневматическая тормозная система с огромной задержкой в срабатывании) и разного качества шины. Лучше всего сравнивать «яблоки с яблоками», то есть одну и ту же машину с разной степенью загрузки. Подробнее об этом читайте в ответе на вопрос гостя нашего сайта о влиянии тормозов.

Легковушка и фура тормозят одинаково

Однако, если время срабатывания тормозов у легковушки и фуры одинаково, и стоят схожие по составу шины, то тормозной путь отличаться не должен. Вот видео, которое подтверждает это (правда, я не понимаю по-немецки, но по смыслу именно то :)):

В заключение скажу, что тормозной путь зависит от веса машины (не будем путать вес и массу), а также от массы прицепа без тормозов, от положения руля. Обо всем этом я расскажу в будущих выпусках.

Как это поможет на практике?

А пока — практический смысл этой статьи.

Используйте качественные шины

Тюнинг машины требует профессионального подхода

Если же вы решите «обуть» машину в суперцепкие шины — для гонок ли, или для собственной безопасности, имейте в виду, что это уже вмешательство в конструкцию автомобиля, тюнинг. Одними шинами не обойтись — они потребуют для себя мощных тормозов, а подобрать их и грамотно установить — дело крайне важное и непростое. Так что подходите к тюнингу машины серьезно и пользуйтесь услугами профессионалов, ведь такие вещи не терпят самодеятельности.

Маленькая легкая машина не дает преимуществ при торможении

Выбирая машину при покупке не думайте, что маленький городской автомобильчик будет более безопасный по сравнению с минивэном и тем более фурой лишь потому, что легче и, якобы, лучше тормозит. Не лучше он тормозит, а если и лучше, то масса тут ни при чем. Будьте бдительны, если управляете маленьким авто. Особенно, когда едете сзади фуры: не приближайтесь к ней и не думайте, что в случае чего она будет останавливаться долго, а вы то уж точно успеете остановиться… Сохраняйте безопасную дистанцию, независимо от разницы в массах машин.

Сохраняйте самообладание, управляя загруженной машиной

Если вам предстоит путь на машине с пассажирами и полным багажником, будьте бдительны, но не теряйте самообладание при торможении. Да, вам покажется, что торможение стало хуже. Но это лишь потому, что вы привыкли к другому усилию на педали тормоза.Нажимайте на тормоз сильнее обычного, и машина затормозит так, как вам нужно. Но и после разгрузки автомобиля не теряйте голову 🙂 — ведь машина станет более чутко отзываться на нажатие педали тормоза, но это иллюзия: тормозной путь не станет короче!

Не перегружайте машину

У каждой машины есть свое предназначение для использования и своя допустимая нагрузка. Если ее превысить, то шины и тормоза могут перегреться, а то и вовсе испортиться. В любом случае, они не справятся с задачей торможения. Тормозной путь заметно увеличится, и это, как вы понимаете, может привести к ДТП.

Учитесь правильно тормозить

Казалось бы, что тут сложного? Но наш тренерский опыт говорит, что многим водителям не хватает плавности и знаний многих тонкостей в повседневном торможении и, наоборот, маловато резкости в экстренном торможении. В общих чертах я написал об этом в статье «Как правильно тормозить?», а если вас интересует практика, то экстренное торможение вы можете отработать на курсе «Зимняя контраварийная подготовка», а постичь все премудрости грамотного торможения на каждый день — на «курсе МВА для водителя: Мастерство Вождения Автомобиля».

Источник статьи: http://kaminsky.su/blog/fizika-tormozheniya-neuzheli-tormoznoj-put-ne-zavisit-ot-massy-avto