Почему большинство шин накачивается воздухом, а не каким-либо легковесным материалом? А может их нужно изготовлять из твердой резины?
Попытаемся разобраться.
Первое наблюдение
Передвигаясь на автомобиле, вы встречаете на своем пути множество мелких и крупных ям, неровностей, камней и других препятствий на дороге. Многих отступлений от ГОСТа при изготовлении дорог вы просто не замечаете благодаря шинам, заполненным воздухом, подвеске и прочим инженерным решениям.
Если бы ездили на шинах, изготовленных из твердого материала (например, резины), вы бы могли прочувствовать каждый удар, каждую выбоину сидя на пассажирском сиденье, потому что твердые частицы являются хорошими проводниками вибраций (так же, как проводка электричества). Газы же сжимаемы и могут поглощать удары, имея много пустого пространства внутри, обеспечивая более плавную езду.
Второе наблюдение
Масса сплошной шины будет значительно выше, чем у заполненной воздухом шины (независимо от того, насколько легкий материал). Это вызовет проблемы.
Во-первых, сплошная шина изнашивается гораздо быстрее, чем заполненная газом, потому что трение (которое пропорционально весу) шины с грунтом будет высоким.
Во-вторых, большая масса означает больше потребляемой мощности для работы, что приводит к уменьшению пробега и увеличению эксплуатационных расходов.
В-третьих, будет проблема в контакте с землей. Надувная шина сплющивается на земле:
Твердая шина будет деформироваться гораздо меньше. Сцепление или трение между шиной и дорогой увеличивается с увеличением площади контакта. Больше сцепления - лучше при поворотах и торможении.
Третье наблюдение
Затраты, необходимые для производства цельных шин, будут очень большими, представьте себе количество резины (или другого инновационного материала), необходимое для изготовления каждой шины.
Представьте себе, что вы платите пятую часть стоимости автомобиля, просто чтобы заменить 2 пары шин?
Однако сплошные и цельнолитые шины существуют, и давольно давно. Они используются в промышленности, там, где не требуется высокая скорость передвижения, а нагрузки колоссальны. Например, промышленные вилочные погрузчики, где транспортное средство движется со скоростями (5-20 км / ч) и перевозит материалы весом в несколько десятков тонн. Шины, наполненные воздухом просто лопнули бы при сильном давлении.
Гистерезис
Это слово происходит от греческого слова «матка», что может показаться удивительным, но это результат творчества физиков, которые каким-то образом распознали форму женского репродуктивного органа на кривой распределения нагрузки вязкоэластичных материалов:
В идеально эластичном материале вся энергия, затрачиваемая на загрузку (например, на сжатие) материала, восстанавливается в процессе выпуска (разгрузки). Это не относится к резине и другим вязкоэластичным материалам. Они потребляют крошечное количество энергии за каждый цикл нагрузки-разгрузки.
Теперь рассмотрим колесо автомобиля. Возьмем окружность колеса около 2 метров.Такое колесо совершит около 500 полных оборотов за каждый пройденный километр. Это означает 500 циклов загрузки-выгрузки на каждый км. Через 160 км каждое из колес автомобиля выполнит 80 000 циклов загрузки-выгрузки. Для четырех колес это означает 320 000 циклов. Даже если энергия, потерянная в каждом цикле из-за гистерезиса резины очень мала, число циклов настолько велико, что может иметь огромное значение.
Поскольку гистерезис вызван вязкостью (механические изменения в материале являются «медленными» и сопротивляются скорости), цикл гистерезиса увеличивается со скоростью, и, как следствие, увеличивается потеря энергии. Кроме того, потерянная энергия преобразуется в тепло, что приводит к повышению температуры шин и, возможно, к изменению механических характеристик резины, обычно в худшую сторону.
Таким образом, решение состоит в том, чтобы заменить как можно больше резины на что-то, максимально приближенное к идеально эластичному материалу. Если это дешево и очень легко получить - отлично.
Воздух обладает всеми этими характеристиками: он совершенно эластичен (у него нет цикла гистерезиса, а цикл разгрузки точно соответствует пути цикла нагрузки), он дешев и обилен, а также очень легок.
В качестве итога можно сказать, что всякой молодец на свой образец. Для повседневной езды в городских условиях сплошные и цельнолитые шины явно не подходят (нет нужного сцепления с дорогой, плохая амортизация и пр.), тогда как в промышленности без них никак.
Поставьте, пожалуйста, лайк - для вас не сложно, а нам это очень важно.
И подписывайтесь на канал, спасибо!
Больше полезных материалов на CAR.RU
