У ребёнка прокололась камера велосипедного колеса. Теперь надо постоянно подкачивать шины. Конечно, он недоволен, и спрашивает, зачем нужна вообще камера. Почему нельзя сделать колёса просто из резины, как на самокате?
Камеру мы, конечно, со временем заменим, а пока разберёмся в некоторых физических аспектах велосипедных шин.
1. Масса
Рассмотрим стандартное велосипедное колесо диаметром 24 дюйма (как у моего сына). Велосипедная камера имеет массу около 300 г. Плотность резины в тысячу раз больше плотности воздуха, поэтому колесо, заполненное резиной, будет иметь большую массу.
Рассчитаем, какую массу имело бы колесо, если бы камера была не заполнена воздухом, а сделана из резины. Оформлю решение как школьную задачу. Нам известна плотность резины, радиус колеса, радиус камеры. Объем колеса считаем как объём тора.
Получается, что к каждому колесу добавляется дополнительно 4 кг просто за счёт того, что камера заполнена резиной, а не воздухом. Нужна нам такая дополнительная масса? Нет!
На самокате колеса гораздо меньше по размеру, там прибавка к массе не так заметна. Да и устойчивость лучше за счёт тяжелых колёс - центр масс получается ниже.
2. Упругость и закон Паскаля
Упругость, если сказать по-простому - это свойство тела возвращать свою форму после воздействия. И резина, и воздух обладают упругостью. При наезде на препятствие уменьшается объем камеры, а значит, повышается давление, и появляется дополнительная сила, которая стремится вернуть камеру в прежнее положение. Это и есть упругость воздуха.
Упругость резины зависит от её вида, а упругость воздуха - прежде всего от его давления. Чем больше давление воздуха, тем большей упругостью он обладает. Именно поэтому в камеры закачивают воздух - давление воздуха должно не только растянуть камеру (для этого достаточно небольшого превышения над атмосферным), но и дать достаточную упругость. Численные значения с теоретических позиций посчитать довольно трудно, но на практике легко понять, что шина накачана достаточно.
В отношении направления самой силы воздушные колёса лучше литых, велосипед гораздо мягче едет по неровной дороге. Это происходит благодаря закону Паскаля. Воздух передает избыточное давление во всех направлениях, а твёрдое тело - наоборот, куда сила подействовала, в том направлении она и передаётся. Вот картинка, иллюстрирующая силы, действующие в разных точках колеса.
Получается, что когда внутри шины воздух, внешние воздействия от неровной дороги гораздо меньше чувствуются. Когда едешь на самокате или роликах, любой камушек или ямка сильно влияют на движение. Велосипед гораздо лучше приспособлен для езды по неровным дорогам.
Эти два важнейших преимущества - масса и упругость - всё, что мне пришло на ум из простой физики. Тем не менее, они достаточно важны, перевешивают недостатки, поэтому на велосипедах колёса в основном надувные.
Недостатки пневматических шин
Важнейший недостаток - это, конечно же, непрочность. Камушек, стёклышко, гвоздь на дороге - и шина проколота. Поэтому для строительных тележек часто применяют цельнолитые шины, сделанные из резины. А для облегчения конструкции применяют вспененную резину.
Менять велосипедную камеру в домашних условиях довольно трудно. Это может сделать опытный веломастер, но нам с ребенком пока это не по силам. Как будет возможность, обратимся в ремонтную мастерскую, а пока просто подкачиваем шины перед каждой поездкой.
Ещё к одному недостатку пневматических колёс можно отнести то, что они не могут выдерживать большую нагрузку. Под нагрузкой сильно повышается давление, и накачанное колесо может лопнуть. При обычной поездке на велосипеде не будет таких нагрузок, но на самокате уже могут быть, если встать всем весом на маленькое колесо. Да и в строительных тележках на колёса гораздо больше нагрузка.
Тем не менее, несмотря на все недостатки, велосипеды продолжают колесить, а я на этом заканчиваю статью. Поедем кататься!
Спасибо всем, кто дочитал до конца! Буду рада лайкам и новым подписчикам.