Как скорость зависит от катимости покрышек

Ще одна цікава стаття з сайту diginfo.ru за авторством Вадима Нікітіна.
   Как скорость зависит от катимости покрышек
Подбору покрышек уделяется большое внимание. В то же время часто утверждается (особенно на шоссейном велосипеде), что 80% усилий уходит на сопротивление воздуха. Насколько существенна тогда зависимость скорости от покрышек? Для начала нужно прояснить несколько моментов, связанных с трением качения и с вынужденными компромиссами при проектировании покрышек.

Trenie_1Под трением в обиходе обычно понимается «сила трения скольжения». Это когда предмет скользит по поверхности. Сила трения пропорциональна весу предмета и коэффициенту трения скольжения. То есть, чем тяжелее предмет, тем тяжелее его двигать, а чем меньше коэфф. трения, тем легче двигать. Trenie_3Отсюда возьмем важный момент: коэфф. трения зависит от конкретной пары предмет-поверхность и от условий между ними (смазка, пыль, влажность). То есть, например, взять из справочника коэфф. трения для ситуации «кирпич на наклонной доске» невозможно, все зависит от того, какой кирпич, какая доска и под дождем это происходит или в помещении.

Trenie_2Сила трения качения, когда круглый предмет (колесо, шар, цилиндр) катиться по поверхности, формально (на уровне формулы, то есть 🙂 ) входит в рассмотрение движения точно так же: произведение коэфф. трения качения и веса. На этом сходство заканчивается. Например, коэфф. трения скольжения можно понизить смазкой. Но если хорошо смазать покрышку, то она вообще не будет катить. Покрышка будет не катить, а проскальзывать, то есть скользить. То есть, необходимое условие применения трения качения это 100%-ое сцепление с поверхностью. С точностью до наоборот с трением скольжения, когда при 100% сцеплении скольжение не наступит вообще, будет только сила трения покоя.

Из этих громоздких рассуждений, думаю нужно вынести только два принципа проектирования покрышек. Во-первых, обязательное 100%-ое сцепление с дорогой. Дороги могут быть весьма разные, вплоть до «бездорожья». Поэтому покрышки делаются под какую-то конкретную дорогу в определенных погодных условиях.Trenie_4Это определяет необходимый для сцепления рисунок протектора и «компаунд» (состав резины). Во-вторых, протектор с необходимым рисунком должен быть как можно более минимальный, поскольку, как и при трении скольжения, протектор еще и тормозит. То есть, «зубастая» или как говорят «злая» покрышка для грязи будет хуже катить по асфальту, чем покрышка с гладким протектором, или как говорят «слик».

Существенным добавлением к рассмотренному является то, что покрышки еще должны амортизировать, принимать на себя часть ударов при взаимодействии с дорогой. И это тоже сильно сказывается на катимости, то есть на реальном коэфф. трения скольжения. К сожалению, здесь тоже есть столкновение противоречий и оно не решено. Довольно часто можно встретить утверждение, что накачивать покрышки нужно до возможного максимума, чтобы уменьшить затраты на проминание покрышки, а так же уменьшить «пятно контакта». Trenie_5Это соответствует лабораторным измерениям коэфф. трения качения, когда колесо прижимается к крутящемуся барабану. Но можно встретить и противоположные рассуждения о том, что широкая покрышка катит лучше, благодаря тому, что пятно контакта более круглое,  а качать, особенно на плохой дороге нужно наоборот по минимуму. И из этих запутанных рассуждений, к счастью следует два конкретных вывода. Во-первых, накачивать нужно до оптимального давления, а не по минимуму или максимуму. Лабораторные измерения нужно использовать осторожно (ниже рассмотрим как именно). Про оптимальное давление на этом сайте есть несколько заметок и калькуляторы. Во-вторых, чем эластичнее боковая стенка покрышки, тем меньше усилий уходит на необходимую деформацию.Trenie_7Производители это прекрасно понимают (что и не удивительно), выводя это в параметр TPI (число нитей не дюйм). Обычно чем больше TPI, тем покрышка дороже и лучше. TPI это число нитей корда, которым армирована резина покрышки. Но важно даже не количество, а то, что чем больше нитей, тем каждая из них тоньше, поэтому боковая стенка более эластичная.

Наконец подходим к последнему моменту, который выглядит как «засада». Это антипрокольные свойства покрышки. Можно делать антипрокольные слои на основной части покрышки, не изменяя эластичности боковых стенок.Trenie_6 Так в основном и делают. Антипрокольный слой при этом увеличивает вес покрышки (что, конечно, хуже для гонок), но не сильно ухудшает коэфф. трения. Но, увы, на «реальных» дорогах часто проколы происходят сбоку, например при ударе гравием. Нужно учитывать еще, что покрышка деформирована весом и поэтому боковина более беззащитна по сравнения с рабочей областью. Поэтому для «бронебойности» покрышки нужно, чтобы боковая стенка была прочная. На сегодняшний день задача сделать боковую стенку прочной, но эластичной не решена. Поэтому прочная, антипрокольная покрышка это покрышка с малым кол-во TPI, и, стало быть и не самая дорогая 🙂


Когда выбирал покрышки для шоссейника, меня интересовали только антипрокольные свойства. До этого мы довольно много катали на МТБ по шоссе, и после МТБ-шных сликов шоссейные колеса и покрышки выглядели как-то несерьезно и вызывали опасение насчет частых проколов. Эти опасения соответствовали описанию впечатлений от бреветов на форумах. Как правило на каждый бревет не менее 2 историй о проколах. Trenie_8По отзывам, самые бронебойные покрышки с более-менее небольшим весом были Continental Gatorskin. Их и купил. Похоже, что надолго, поскольку оказалось, что  дополнительно к бронебойности они не изнашиваются 🙂 За два сезона на двух велосипедах было три прокола, но надо признать все они были типа «змеиный укус», то есть связаны с недостаточной накачкой, а не с антипрокольными свойствами покрышки. Катимость покрышки меня слегка стала интересовать только в этом сезоне, когда захотелось выходить 200-км бреветы из 7-и часов. Для этого в моем случае все средства повысить среднюю скорость на 1 км/ч хороши 🙂 Насколько сильно тормозят меня Gatorskin?

В сети есть классный сайт  по измерению в лабораторных условиях коэфф. трения и антипрокольных свойств покрышек для велосипеда. Аналогичные лаборатории, насколько можно понять из интернета есть у компаний-производителей, так же есть упоминание о коммерческой независимой от производителей лаборатории в Финляндии. Но данные этих лабораторий не публичны. А упомянутый сайт выкладывает аккуратно измеренные данные в интернет в открытом доступе.Trenie_9 Установка представляет собой барабан с рифленым металлическим покрытием, как на «среднем» шоссе. К барабану прижимается колесо с усилием 42.5 кГ, барабан (с приводом от электромотора) раскручивает колесо до соответствующей скорости велосипеда 29 км/ч. Далее аккуратно измеряется затрачиваемая электромотором мощность и вычисляются потери мощности на трение качения. Антипрокольные свойства (прочность) измеряются чем-то типа шила. Прокол по рабочей части и сбоку, сводится соответственно к двум «относительным» безразмерным цифрам. Вот лабораторные данные с сайта:Conti_Lab_Crr

Коэфф. трения качения измерен при четырех разных давлениях. Естественно, в лабораторных условиях чем больше давление в шине, тем ниже сопротивление качению. Как уже отметил, в реальном катании есть оптимум давления. Вес 42.5 кГ, приложенный к колесу в лаборатории (считаем, что это переднее колесо)  соответствует весу велосипедист + велосипед 94.4 кГ. При помощи калькулятора давления в шинах получаем, что оптимальное давление составляет 85 psi. Самое близкое из измеренного в лаборатории составляет 80 psi, соответствующий коэфф. трения равен 0.00659. Это значение можно уточнить, соединив все четыре точки плавной кривой:Conti_Appr_1

Соответствующее значение коэфф. трения для оптимального давления 85 psi получается равным 0.00641. При параметрах (вес 94.44 кГ, лобовая площадь 0.5 м3, коэфф. аэродинамического сопротивления 0.88) расчетная скорость при развиваемой мощности 200 ватт получается 29.67 км/ч. Как уже упоминал в заметке «На что тратятся силы при движении велосипеда«, расход вырабатываемой мощности на преодоление сопротивления дороги меньше, чем на подъем в гору с уклоном 1% (1 метр на 100 метров дистанции). В то же время, плоских дорог почти нет. Если считать, что велосипедист, который думает, что едет по плоскому месту, на самом деле едет «волнами», то вверх, то вниз с уклоном 1%, то его скорость будет варьироваться от 25.07 до 34.22 км/ч. А средняя скорость упадет (как было рассмотрено в заметке «Встречный ветер и средняя скорость«) до 29.07 км/ч. Обратный пересчет в «реальный» коэфф. трения даст соответствующее значение 0.0078.

Это как раз то значение, которое было бы измерено не в лабораторных, а в реальных условиях, но по такому же покрытию дороги, как на барабане в лаборатории. Trenie_10Именно такое «реальное» значение и будем сравнивать с другими шинами для того, чтобы понять, дает ли преимущество измеренный в лаборатории более низкий коэфф. трения. Интересно отметить, что рассчитанный в заметке «Определение параметров катимости велосипеда из измерений мощности» из данных на велотреке и велодроме коэфф. трения для шин Gatorskin дал значение 0.008, что практически то же самое, что 0.0078 🙂

Из довольно внушительного списка обмерянных в лаборатории шин выбрал те, которые по антипрокольным свойствам следуют за Gatorskin. И в конце для диапазона добавил шины с лучшей измеренной в лаборатории катимостью.

Conti_Real_Crr1

Видно, что не смотря на небольшие горки, шины с меньшим «лабораторным» коэфф. трения дают заметную прибавку к скорости, вплоть до 1.3 км/ч. Правда, за счет снижения антипрокольных свойств, как  видно из таблицы, и за счет долговечности (этого в таблице не видно, но компаунд в «стартовых» шинах как правило более мягкий).

Таким образом, если хоть как-то озабочен временем прохождения дистанции, то нужно идти на риск по антипрокольности и ставить более катящие покрышки, желательно с латексными камерами (а еще лучше — трубки 🙂 ).Trenie_11Прибавить к средней скорости эти 1.3 км/ч на скоростях около 30 км/ч за счет мощности ног (в моем случае) очень не просто. А за счет смены покрышки это произойдет само по себе 🙂 Если перевести это преимущество в минуты, то на дистанции 200 км выигрыш составит 18 минут. Этого хватит, чтобы в случае прокола спокойно сменить камеру 🙂

Или можно идти по стандартному пути, на тренировочные заезды ставить более прочные покрышки, а на соревнования хорошо катящие. Расчеты показывают, что это оправдано.

 

Как скорость зависит от катимости покрышек: 2 комментария

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *