ВЛИЯНИЕ ЗНАНИЙ ЗАКОНОВ МЕХАНИКИ ДВИЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ НА БЕЗОПАСНОСТЬ НА ДОРОГАХ

Безопасность на дорогах — это явление комплексное, связанное с соблюдением правил дорожного движения, как водителями, так и пешеходами. Автомобиль — это сложный механизм, работающий по законам механики. Знание и грамотное применение этих законов на практике позволит улучшить ситуацию на дорогах и возможно спасет чью-то жизнь. Однако, ситуацию на российских дорогах недаром называют катастрофической — об этом говорит статистика смертей в результате ДТП [5, с. 24]. Однако изучение официальных данных МВД позволяет сделать неожиданный вывод: пьянство за рулем, конечно, влияет на безопасность движения и смертельные случаи, но далеко не так сильно, как ряд других, не столь обсуждаемых факторов. На смену водителям, которые нарушали ПДД осознанно, но, по крайней мере, понимали логику движения, пришли молодые люди, которые, может быть, и ездят медленней, но совершенно не знакомы с законами механики [8].

Около 1/3 всех дорожно-транспортных происшествий происходит на мокрых, обледенелых или заснеженных дорогах. Такие дороги имеют ухудшенные условия сцепления. Это значит, что увеличивается вероятность проскальзывания колес по поверхности дороги, а также их увода в сторону. В этих условиях автомобиль часто становится неуправляемым. Скользкость дороги характеризуется коэффициентом сцепления. Нормальный коэффициент сцепления асфальтобетонных покрытий колеблется в пределах 0,6—0,8. Под воздействием метеорологических условий дорожные покрытия теряют свои качества, коэффициент сцепления снижается до опасных пределов. Минимально допустимым по условиям безопасности принят коэффициент сцепления 0,4 [9, с. 29].

В зависимости от состояния дорожного покрытия остановочный путь может различаться в 3—4 раза. Так, остановочный путь при скорости 60 км/ч на сухом асфальтобетонном покрытии составит около 37 м, на мокром — 60, на обледенелой дороге — 152 м. Более того, даже при сухом асфальтобетонном покрытии в зависимости от степени его износа коэффициент сцепления может различаться в 2 раза и более. Скорость движения также оказывает влияние на сцепление шин с дорогой, так как при высокой скорости начинают проявляться аэродинамические подъемные силы, которые уменьшают силу прижатия автомобиля к дороге [1, с. 22].

Сцепление шины с дорогой — основа безопасного вождения, чем оно выше, тем безопаснее вы можете вести машину. Шина под действием силы тяжести автомобиля деформируется, образуя так называемое пятно контакта. Среди автолюбителей принято считать, что чем шире шина, тем больше площадь пятна контакта шины с дорогой и тем лучше сцепление с дорогой, тем короче тормозной путь, тем лучше управляемость машины. А еще иногда думают, что если машина тормозит не прямо, а боком, то тормозной путь будет короче, потому что шире пятно контакта. Это не так. Приведем доказательства из механики.

Тормозной путь:

 ,                                                     (1)

где: S — тормозной путь,

V — скорость движения машины,

µ — коэффициент трения шины о дорогу,

g — ускорение свободного падения.

Как видно, тормозной путь не зависит от ширины профиля шины и площади пятна контакта шины с дорогой. В этой формуле есть единственный показатель — это коэффициент трения, который зависит от природы соприкасающихся тел. В данном случае — от типа дорожного покрытия и от химического состава протектора шины. Соответственно, и сцепление шины с дорогой зависит от состава резиновой смеси протектора.

Почему же пятно контакта не влияет на силу сцепления? С одной стороны, чем больше его площадь, тем большим числом «щупальцев» шина цепляется за дорогу. Этот факт лежит на поверхности, и люди охотно думают, что сцепление пропорционально ширине шины. Но есть и другая сторона медали, о которой многие забывают: от размера пятна контакта напрямую зависит вес шины, приходящийся на единицу площади, то есть давление, которое она оказывает своим весом на дорогу. Чем больше площадь контакта, тем меньше давление шины на дорогу. 

Приведем пример из жизни. Предположим, рыбаку нужно перейти замерзший пруд с тонким льдом. Какие лыжи нужно надеть? Беговые — с шириной около 5 см, или охотничьи — с шириной порядка 30 см? Конечно, охотничьи. Потому что они шире, на них будет меньше давление на лед и ниже вероятность провалиться. По этой причине, зимние шины всегда уже летних — чтобы увеличить давление на дорогу и лучше «вгрызаться» в снежно-ледяную корку. В итоге, если мы увеличиваем площадь пятна контакта, то мы уменьшаем давление на дорогу. Получается, во сколько раз мы увеличиваем площадь сцепления с дорогой, ровно во столько же раз мы уменьшаем давление на дорогу. 

Что говорят о сцеплении законы механики? Если снова прибегнуть к помощи формул, то сила трения сцепления (она же сила трения покоя) в отсутствии адгезии (эффекта приклеивания соприкасающихся поверхностей) определяется законом Кулона:

,                                                       (2)

где: µ — коэффициент сцепления,

N — вес тела (шины, в данном случае),

m — масса тела (шины),

g — ускорение свободного падения.

Отсюда видно что, площадь пятна контакта в силу трения покоя вклада не вносит, как и в длину тормозного пути. Можно закон Кулона переписать иначе, с учетом площади пятна контакта и отразить влияние пятна на давление. Давление тела на опору или, в нашем случае, шины на асфальт равно весу тела (шины), деленному на площадь контакта:

,                                                          (3)

где: P — давление шины на дорогу,

N = mg — вес шины.

Тогда отсюда можно выразить вес через давление:

,                                                      (4)

Теперь, если подставить эту формулу в закон Кулона, получим:

                                                       (5)

Сила сцепления шины с дорогой пропорциональна коэффициенту сцепления, давлению шины на дорогу и площади пятна контакта. Это именно то, как воспринимает силу сцепления большинство людей. Но давление напрямую зависит от площади пятна контакта и обратно пропорционально ему [5, с. 54]. Об этом говорит формула (3). Поставляя сюда выражение для давления, получим:

,                                                   (6)

Тогда площадь мы успешно сокращаем и приходим к закону Кулона (2) и силе сцепления, не зависящей от площади пятна контакта.

Еще одно частое заблуждение. Трение бывает: трения покоя, качения, скольжения. И часто люди думают, что шина катится за счет трения качения. Шина катится за счет трения покоя. То есть во время качения пятно контакта шины с дорогой покоится относительно дороги.

Снова приведем пример из жизни. Обратите внимание на ноги или обувь идущего человека. Как только человек делает шаг, его ступня останавливается, и он перемещает вес с нее на вторую ногу и делает еще один шаг. Выходит, верхняя часть тела человека движется в то время как одна нога покоится. Аналогично ведет себя шина, только она делает много-много маленьких шажочков, перекатываясь с одного элемента шины на другой, и каждый из них в момент переката покоится относительно дороги. Соответственно, во время качения между шиной и дорогой действует сила трения покоя.

Если же пятно контакта начинает двигаться относительно дороги, то это означает скольжение шины, и здесь трение покоя переходит в трение скольжения.

А трение качения — совершенно иной вид трения, возникающий из-за деформации шины и направленный всегда в сторону против направления качения [6, с. 41]. Чем больше деформация шины, тем выше трение качения. Спущенная шина деформируется больше накаченной. То есть трение качения — паразитный вид трения. Если силу трения покоя шины с дорогой конструкторы пытаются увеличить, то силу трения качения всегда пытаются уменьшить.

Вывод: сцепление шины с дорогой — сила трения покоя, и она не зависит от ширины шины и площади пятна контакта. Таким образом, чем больше сцепление шины с дорогой, тем безопаснее вести машину. Некоторые водители прохладно относятся к тому, какие шины стоят на их машинах, и думают, что это неважно. Важно! Чуть ли не самое важное, что есть в машине. Но среди тех водителей, которые ценят безопасность, сцепление с дорогой и шины, встречаются те, которые думают, что они улучшат сцепление, если поставят на свой автомобиль более широкие шины. Широкие шины важны, но тормозные свойства машины от них не улучшатся. Если бы было все так просто и широкие шины тормозили бы лучше узких, то производитель шин могли бы легко решить проблему зимы — делали бы очень широкие зимние шины. Однако этого не происходит и, более того, происходит обратное: зимние шины, как правило, уже летних...        Чтобы улучшить сцепление шин с дорогой, нужно установить шины, сделанные из резины более высокого качества. Машина тормозит не тормозами, а шинами. Если на автомобиле стоят изношенные или дешевые или просто не соответствующие сезону шины, автомобиль тормозит плохо, и хорошие тормоза ему не помогут. Нужно поставить качественные шины, и тогда жизнь водителя за рулем будет в большей безопасности.

Можно с уверенность говорить о независимости тормозного пути от массы машины, если она соответствует общепринятым нормам безопасности.

Маленький городской автомобильчик не будет более безопасным по сравнению с фурой лишь потому, что легче и, якобы, лучше тормозит. Тормозит он не лучше, а если и лучше, то масса тут ни при чем. При управлении маленьким авто нужно быть бдительным, сохранять безопасную дистанцию, независимо от разницы в массах машин.

У каждой машины есть свое предназначение для использования и своя допустимая нагрузка. Если ее превысить, то шины и тормоза могут перегреться, а то и вовсе испортиться. В любом случае, они не справятся с задачей торможения. Тормозной путь заметно увеличится и это может привести к ДТП.

Чем ниже профиль шины, тем больше радиус колеса при одном и том же внешнем радиусе шины. Многие считают, что так красивее. Но безопасность на дорогах далека от романтики. Чем больше диаметр колеса, тем больший по диаметру тормозной диск можно поставить на машину. А это, в свою очередь, снижает нагрев тормозов и продлевает стабильность тормозной системы. Большие тормозные диски, керамические колодки, многопоршневые суппорты нужны только для одного — для снижения нагрева тормозов. Это позволяет сохранить интенсивность торможения и длину тормозного пути при многократных и интенсивных торможениях. Подчеркнем: чтобы сохранить тормозной путь, а не укоротить. Мощная тормозная система не позволит сделать тормозной путь короче, чем обычные штатные тормоза, потому что длина тормозного пути определяется качеством шин и дорожного покрытия.

В целом, становится ясно, что знание законов механики движения автомобиля, понятия и величины непосредственно связанные с организацией его движения позволяют предупреждать аварийные ситуации на дорогах.

Список литературы

1.           Бать М.И., Джанелидзе Г.Ю., Кельзон А.С. Теоретическая механика в примерах и задачах. — М., Ч. 1: 1984 и предыдущие издания, — 512 с.

2.           Веселовский И.Н. Некоторые вопросы механики Л. Эйлера. Труды Института истории естествознания. Т. 19. М., ОНТИ, — 1957.

3.           Веретенников В.Г. и др. Теоретическая механика. Вывод и анализ уравнений движения на ЭВМ. — М.: Высшая школа, 2010.

4.           Геронимус Я.Л. Теоретическая механика. — М.: Наука, 2001.

5.           Еленев С.А., Шевелева Г.И. Теоретическая механика. Статика: Конспект лекций. — М.: Изд-во «Станкин», 2002.

6.           Кильчевский Н.А. Курс теоретической механики: Учебное пособие. Т. 1,2. — М.: Нау­ка, 1997.

7.           Курс теоретической механики: Учебник для вузов / В.И. Дронг, В.В. Дубинин, М.М. Ильин и др. Под общ. ред. К.С. Колесникова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000.

8.           Лойцинский Л.Г., Лурье А.И. Курс теоретической механики. тт. I, II, — М.: Дрофа, 2006.

9.           Яблонский А.А., Никифорова В.М. Курс теоретической механики. — М., Ч. 1, 1984 и предыдущие издания, — 368 с.