Довольно странно, но как и в ситуации с Дворцом в Геленджике, ответ на этот вопрос делит людей на два приблизительно равных по численности лагеря. Давайте разбираться!
Процесс торможения на велосипеде — процесс преобразования кинетической энергии объекта велосипедист-велосипед в тепловую энергию. Тут, я думаю, споров, как в статье про трансмиссию, не будет, и все согласятся, что во время торможения греются тормозные колодки, диск (или тормозная дорожка на клещевых тормозах), резина и асфальт. Главным преобразователем энергии в этом процессе будет трение.
Но мы тут с тормозным путём пришли разбираться, так что давайте начнём с него.
Первый лагерь заявляет:
Ширина покрышек никак не влияет на тормозной путь.
Второй лагерь доказывает обратное:
Чем шире покрышки, тем лучше они тормозят.
Что говорит школьная физика?
На школьные учебники в первую очередь ссылаются приверженцы первого лагеря. Школьная кинематика говорит нам, что тормозной путь S, или путь до полной остановки, вообще в целом ни от чего не зависит, кроме скорости движения и будет пропорционален квадрату начальной скорости. В знаменателе одни константы.
Коэффициент трения в данном случае зависит только от характеристик соприкасающихся поверхностей и ни от какой ширины шин или массы не зависит. Это сложно осознать, но с этой точки зрения, в отсутствии технических ограничений, на одном и том же участке дороги велосипедист-горняк массой 60 кг будет тормозить ровно столько же, сколько и 120-килограммовый мужик с туристическим баулом, при условии что они будут использовать одинаковую резину и тормоза.
Эта формула появляется из трёх других формул: пути при равноускоренном движении, второго закона Ньютона и закона Кулона.
Сил на самом деле не одна
Казалось бы, на этом пора расходиться, но тут подключаются скептики из второго лагеря:
Формула Кулона для тормозного пути транспортного средства применяться не может, так как закон Кулона описывает силу трения покоя. А сила трения покоя — сила, возникающая на границе
соприкасающихся тел при отсутствии их относительного движения.
На это у первого лагеря есть контраргумент. Это тоже выглядит немного странно, но когда колесо вращается, точка контакта относительно асфальта находится в покое, и на него действует сила трения покоя. Без приколов. При этом, если колесо полностью блокируется тормозами, то сила трения покоя сменяется силой трения скольжения, а коэффициент трения скольжения меньше коэффициента трения покоя. Вот поэтому крутящиеся колёса тормозят быстрее, чем полностью заблокированные — на этом принципе основана работа антиблокировочной системы автомобиля.
Вообще, с точки зрения физики, сила трения может быть трёх видов:
- Сила трения покоя;
- Сила трения скольжения;
- Сила трения качения.
Сила трения от площади контакта никак не зависит, давайте разбираться с другими силами.
Сила трения скольжения появляется, когда суммарная сила, приложенная к телу превышает силу трения покоя и тело начинает двигаться.
Опытным путём установлено, что сила трения зависит от силы давления тел друг на друга (силы реакции опоры), от материалов трущихся поверхностей, от скорости относительного движения, но не зависит от площади соприкосновения.
В итоге этого диалога остаётся только одна сила — сила трения качения, к ней и апеллирует второй лагерь. Там точно должно что-то быть.
На вышеуказанном рисунке N — сила нормального давления, r — радиус колеса, b — расстояние между теоретической точкой опоры шины и фактической первой точкой встречи шины с поверхностью, по которой проходит перемещение. В силе нормального давления тоже никакой площади нет (N = mg) — она равна произведению массы на ускорение свободного падения.
И вот тут представители первого лагеря ликуют и все расходятся... или нет?
Истина где-то рядом
Давайте глянем, откуда берётся сила трения качения. Трение качения — сопротивление движению, возникающее при перекатывании тел друг по другу. Причина трения качения — деформация катка и опорной поверхности, а также силы адгезии.
Адгезия — непростое явление, которое на физике в школе обычно детально не рассматривают. Адгезия — сцепление поверхностей разнородных тел обусловленное межмолекулярными взаимодействиями в поверхностном слое. Характеризуется удельной работой, необходимой для разделения поверхностей. И когда вы начинаете разбираться с адгезией, то вдруг выясняется, что резина вашего велосипеда, сколько бы вы в неё не накачали атмосфер — не твёрдое тело, а эластомер, и в реальности ведёт она себя абсолютно не так, как в идеальной системе.
Исследованиями по теме занимается целый Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского Российской академии наук, а про модели и эксперименты, к примеру, можно почитать тут. Оказывается, что в силу различных процессов, пятно сцепления большей площади действительно будет тормозить лучше, с условием, что резина не будет переохлаждена.
На практике, к такому же выводу пришли ребята из Global Cycling Network, в чём можно удостовериться в их видео.
На скорости 30 км/ч, а это где-то и есть средняя скорость на небольшом спуске в черте города, с которой приходится тормозить, разница между тормозным путём 25-ой и 32-ой резины составила чуть больше метра: 914 см против 812 см.
Подумайте об этом, когда будете покупать резину на следующий сезон.
Если материал показался вам интересным, ставьте «Палец вверх» или подписывайтесь на этот канал @abrosimov.online.
