Задали вопрос: «Вращается ли воздух в шине вместе с колесом машины?». На первый взгляд вопрос смешной. Но… ответ может оказаться куда интереснее. Так что же происходит с воздухом в колесе при движении автомобиля? Что говорит физика автомобильного колеса? И причем тут вязкость воздуха? Давайте разбираться вместе.
Крутится ли воздух в колесе?
Автомобильное колесо – это замкнутая система: резиновая шина, герметично запечатанная ниппелем и наполненная воздухом под давлением (обычно 2-2,5 атмосферы).
Когда машина стоит, воздух внутри находится в состоянии термодинамического равновесия: молекулы хаотично движутся, но нет направленного потока. Но как только колесо начинает вращаться, то возникает естественный вопрос: вращается ли воздух внутри колеса автомобиля вместе с ним?
Ответ: да, вращается, но не целиком, а только частично и не сразу, и не одинаково.
М-да, ответ, конечно, интересный, но не совсем понятный.
Поведение воздуха в шине при движении
Так как же ведёт себя воздух внутри автомобильной шины, когда машина едет?
Чтобы это понять, нужно вспомнить, что воздух – это газ, и он не обладает жёсткой структурой, как твёрдое тело или даже жидкость.
В момент старта, когда автомобиль только начинает разгоняться, воздух внутри шины изначально остаётся практически неподвижным – с точки зрения внешнего наблюдателя он «стоит на месте». Это происходит потому, что сила трения между внутренней поверхностью шины и газом невелика, и сразу передать вращение всему объёму воздуха она не может.
Дальше, при вращении колеса внутренняя поверхность шины увлекает за собой прилегающий слой воздуха за счёт трения шины и вязкости воздуха. Этот эффект называется «вовлечением».
Однако из-за низкой вязкости воздуха вращательное движение не передаётся на весь объём газа. Почему? Потому что возникает ламинарное течение, где слои воздуха вращаются с разной скоростью:
- у стенок шины – самая большая скорость вращения воздуха;
- в центре колеса – почти полный покой;
- общего «вращения воздуха» как единого целого не происходит.
Со временем (при достаточно длительном и устойчивом движении) весь воздух внутри шины может прийти в состояние, близкое к совместному вращению с колесом.
Обратная картина наблюдается при торможении: колесо замедляется и останавливается, а воздух внутри, обладая инерцией, продолжает вращаться. Относительно колеса он некоторое время движется вперёд, а относительно земли, ещё какое-то время сохраняет остаточную скорость вращения. Лишь со временем внутреннее трение и вязкость газа гасят это движение, и воздух останавливается вместе с колесом.
При равномерном движении, когда скорость стабильна, разница в скоростях между стенками шины и воздухом минимальна – проскальзывание почти исчезает, но полностью не устраняется из-за физических свойств газа.
Почему герметичность колеса не меняет ситуацию?
Многие считают: раз колесо герметичное, значит, воздух «заперт и должен вращаться одинаково». Но герметичность лишь предотвращает утечку газа – она не создаёт механической связи между шиной и воздухом.
Для полного вращения газа потребовалась бы либо:
- Очень высокая скорость вращения (как в центрифуге).
- Значительно большая вязкость (как у масла).
Воздух же – лёгкий и подвижный газ.
Поэтому даже при длительной поездке внутри герметично закрытого колеса не возникает устойчивого вихря или торнадо из воздуха.
Итог: как бы долго не ехала машина, полностью идентичного общего вращения колеса и воздуха внутри его не происходит.
Как это влияет на поведение автомобиля?
Хорошая новость: почти никак.
Физика автомобильного колеса говорит, что поскольку масса воздуха в колесе мала (около 0,03-0,05 кг в стандартной шине), а его движение ограничено тонким слоем у стенок, значит гидродинамическое или гироскопическое влияние пренебрежимо мало.
Именно поэтому инженеры при расчётах устойчивости и управляемости автомобиля не учитывают движение воздуха внутри шин во время движения.
Вместо заключения
А стоит ли вообще об этом думать и задавать себе этот смешной вопрос? С практической точки зрения – нет. Давление в шине, износ протектора и балансировка колёс важны куда больше, чем поведение воздуха внутри. Но... с точки зрения любопытства и понимания физики – да, это действительно очень увлекательно!
Теперь вы знаете: воздух в колесе при движении машины не крутится целиком, а лишь слегка увлекается стенками шины.
Скажите честно, а как бы Вы ответили на вопрос – вращается воздух в шине или нет?
Возможно, Вам будет интересно:
Благодарю, что дочитали до конца. Лайк – лучшее спасибо мне, как автору!