Vliv fyziky na konstrukci pneumatik

V minulém dílu jsme si řekli pár faktů o pneumatikách. Pojďme se tedy podívat na to, jak je tomu po stránce fyziky. Pozorovali jste někdy zpomalené záběry z MotoGP? Při pohledu na pneumatiku a její deformace během závodů jsme svědky někdy až neuvěřitelných deformací nasnímaných kamerou. Pro lepší představivost a účely článku začneme rozlišovat mezi trakcí, adhezí a třením. Tření je jednoduchý, fyzikálně popsatelný jev odporu, který klade jeden materiál pohybujíc se s prokluzem po druhém. Adheze je obecně definována jako schopnost materiálu přilnout k druhému a za trakci považujeme celkovou sílu (nebo soubor sil), kterou je pneumatika schopna přenést na vozovku. Za adhezi v některých literaturách naleznete označovanou trakci. Pro vyšetřování chování parciálních částí pneumatiky však budou tyhle pojmy odděleny.

Vliv fyziky na konstrukci pneumatik

Kapitoly článku

Otisk pneumatiky, neboli kontaktní plocha, je udávaná v milimetrech čtverečních, mění se zatížením, změnou hustícího tlaku, rychlostí, úhlem naklopení kola apod. Proč hustit pneumatiky na správný tlak nám ukazuje obrázek níže. Správně natlakovaná pneumatika je znázorněna ve středu obrázku a poskytuje největší kontaktní plochu. Vlevo je podhuštěná pneumatika, kde pozorujeme prudký pokles kontaktního tlaku směrem ke středu otisku. Druhým extrémem je přehuštěná pneumatika vpravo, kterou můžeme přirovnat k balónu. Vlivem vysokého tlaku je deformace nedostatečná a kontaktní plocha redukovaná směrem ke kraji. Čím víc je pneumatika přehuštěná, tím víc se kontaktní plocha podobá kružnici.

Co nám ještě tyhle obrázky říkají, je to, jak asi vypadá kontaktní plocha odlehčené a přetížené pneumatiky. Odlehčená pneumatika má kontaktní plochu podobnou přehuštěné pneumatice a extrémně přetížená bude naopak podobná podhuštěné. Správný tlak znamená vyloučení kontaktu typu „podhuštěný“ během ostré jízdy jakkoli naloženého motocyklu. Proto výrobci udávají různé hustící podmínky pro prázdný nebo naložený motocykl. Teplotní úprava tlaku v pneumatikách je v důsledku zvýšení tlaku vlivem teplotní roztažnosti vzduchu.

V obou případech nesprávného tlaku v pneumatikách, kvůli zvýšené námaze spotřebované na přenos sil během jízdy, nastává přehřívání dezénu. Při přehuštěné pneumatice se bude díky zvýšenému namáhání malé plochy přehřívat dezén (malá plocha není schopna absorbovat tolik tepla jak velká), přičemž podhuštěná pneumatika má také přehřívání způsobené neustálou deformací dezénu při odvalování. Přehřívání dezénu způsobuje redukci trakce a zvyšuje opotřebení pneumatiky.

Mýtus, že největší kontaktní plochu poskytuje pneumatika kolmo stojící na vozovce, není pravdivý. Jak nám znázorňuje obrázek níže, kontaktní plocha se může právě vlivem náklonu zvětšovat. Samozřejmě, že tohle jednoduché znázornění je pouze marketingovou záležitostí, protože nám neříká nic o změně kontaktu vlivem změny rychlosti, akcelerace nebo decelerace. Jedná se pouze o jeden konkrétní případ konstantní jízdy. Vlivem změny rychlosti při konstantním průjezdu apexem však situace nebude úplně odlišná.

Změny kontaktu vlivem zatížení

Jak bylo zmíněno dříve v článcích o geometrii, tak i zde platí stejná pravidla. Při brždění se přesouvá hmotnost motocyklu na přední kolo a při akceleraci na zadní. Výsledkem je zvětšení otisku zatížené pneumatiky a zmenšení u nadlehčovaného kola.

Větší otisk znamená nárůst trakce, naopak menší otisk znamená její pokles. Sami víte, že při brzdění jde zadní kolo mnohem dřív do smyku nežli přední. Právě proto silniční závodní motorky zadní brzdu nepoužívají, vyjímaje stabilizaci motorky před apexem. Tohle rozložení samozřejmě závisí na konstrukci motocyklu. Na custom chopperu, který má přední vidlici dlouhou několik metrů byste stejně přední brzdu mačkali asi zbytečně. Stejně tak vám při zastavování supersportu nijak neprospěje použití zadní brzdy.

Deformace pneumatiky během jízdy a její vliv na kontaktní plochu.

Obrázek níž popisuje změny kontaktu vůči statickému stavu. Statický poloměr bývá menší, než dynamický, což je způsobeno odstředivou silou. Čím rychleji se kola otáčí, tím větší síla působí na kordy a běhoun směrem od středu osy otáčení, což má za následek zvětšení poloměru kola. Samozřejmě se nebude zvyšovat do nekonečna a tahle charakteristika není lineární.

Šipky na obrázku níže znázorňují velikost statické trakce versus trakce při zatížení. Velikost kontaktní plochy je pro obraznost stejná. Při brždění a akceleraci se nám mění nejenom směr deformace pneumatiky ale také těžiště kontaktní plochy, které se posunuje vždy proti směru jízdy. Nebo jednodušeji řečeno směrem ke středu („do“) motocyklu.

Když se detailně podíváme na kontaktní situaci během jízdy, zjišťujeme, že otisk se skládá ze dvou typů kontaktů. Adhezní kontakt - nejdůležitější část otisku, kde je pneumatika přilnuta k vozovce a vůči ní má nulový prokluz. Je to nejdůležitější část kontaktu a tvoří většinu trakce. Dokáže přenášet laterální síly a tím zabezpečuje směrovou stabilitu. Naproti tomu skluzová část kontaktu směrovou stabilitu neudržuje, ač přispívá k zvýšení trakce díky jednoduchému tření mezi vozovkou a gumou pneumatiky. Vraťme se zpátky k našemu případu kolmo jedoucího motocyklu. Adhezní část kontaktu z obrázku je znázorněna sytou černou, mizející okraje otisku znamenají prokluzovou část. Pro přímou konstantní jízdu zdá se nepodstatný detail. Při akceleraci a brzdění se posunuje adhezní část kontaktu proti směru jízdy (při brždění směrem dozadu a při akceleraci směrem dopředu). Čím blíž hranici adheze jsme, tím víc se redukuje adhezní část kontaktu na úkor prokluzu. Když jsme za hranici adheze, nastává smyk. Kontaktní plocha ztrácí adhezní část a pneumatika je pouze v prokluzovém kontaktu.

Během jízdy v náklonu se mění velikost kontaktní plochy mezi vozovkou a pneumatikou, mění se poměr adhezní a skluzové části otisku a následkem těchto změn se samozřejmě mění i trakce. Na obrázku výše lze pozorovat změnu skluzové části kontaktu vůči adhezní. Pod motocyklem je znázorněno rozložení kontaktního tlaku (otisku pneumatiky) na vozovku. Pro představu je dobré rozdělit kontaktní situaci do tří situací vzniklých během jízdy, jenž se mezi sebou plynule mění. Uvažujeme o konstantní jízdě, nikoliv brzdění nebo akcelerace.

Nulový nebo velmi malý náklon má prakticky nulový skluz, který lze pozorovat pouze na okrajích otisku, znázorněno slabě červenou barvou. Přímá jízda není ovlivněna prokluzem. Při malém náklonu se pomalu prokluzová část kontaktu zvětšuje vůči adhezní. Adhezní část je posunuta směrem ke středu pneumatiky. Třetí situace je velký náklon, kdy přichází do kontaktu hrana pneumatiky, na kterou se posléze přenáší adhezní část v úzkém pásu a tudíž je nejvíc namáhána. Celý kontakt kolem je prokluzový.

Co je to skluz a skluzový úhel?

Prokluz pneumatiky je drift, jenž je přítomen díky nedostatečné přilnavosti gumy pneumatiky o vozovku. Tenhle typ kontaktu vytváří na povrchu sílu, která unáší kolo motocyklu podle zákonu setrvačnosti v přímém směru rovnoměrnou rychlostí. Prokluz pneumatiky se dá vyjádřit úhlem skluzu, který jde jednoduše popsat jako rozdíl úhlu natočení předního kola a tečny poloměru skutečného průjezdu zatáčkou. Jak již bylo zmíněno, prokluzová část kontaktu nedokáže udržet směr, tudíž unáší motocykl podle zákonů setrvačnosti v přímém směru. Tahle síla musí být kompenzována větším natočením řídítek, jak je znázorněno na obrázku níže od motocyklového konstruktéra Tonyho Foala.

Pro eliminaci prokluzu byly navrhnuté radiální pneumatiky. Diagonální pneumatiky mají, díky kordům, které jsou pleteny pod úhlem, kontakt protáhlý ve směru jízdy. Tohle pletení kordů ovlivňuje samotný kontakt (otisk) deformací pneumatiky za a před kontaktem. Poskytují vyšší tuhost profilu a větší odolnost vůči deformaci běhounu. Radiální pneumatiky mají širší a oválnější kontakt, díky čemu lze udržovat adhezi větší plochou. Kordy jsou pleteny od patky k patce a tak napětí vzniklé za, nebo před otiskem ho ovlivňuje mnohem míň.

Jak to všechno funguje pohromadě?

Pokusím se jednoduše popsat běžný průjezd zatáčkou tak, jak pojedete nedělní dopoledne na svém oblíbeném klikatém úseku z pohledu pneumatik. Blížíme se k zatáčce. Z konstantní jízdy, kdy jsou kontaktní plochy stejné, začínáme mačkat páčku přední brzdy. Váha se přenáší vlivem setrvačné síly na přední kolo, odlehčí se zadní kolo a jeho kontakt je redukovaný. Otisk předního kola se zvětší vlivem většího zatížení a adhezní část se posune směrem k středu motocyklu. Velikost adhezní části je závislá na velikosti dosaženého zpomalení a aktuálních podmínek pneumatiky a vozovky (teplota, adheze, kvalita asfaltu…). Pouštíme brzdy a začínáme klopení.

Otisk vypadá dle velikosti náklonu podobně jak z obrázku výše, když do apexu vjíždíme konstantní rychlostí a pod stejným plynem. V apexu přidáváme plyn, odlehčuje se přední a přetěžuje zadní kolo, znovu vlivem setrvačné síly. Adhezní část kontaktu se posouvá směrem dopředu a mění se její poměr vůči skluzové v závislosti na zrychlení. Čím vyšší je zrychlení nebo větší náklon, tím víc je adhezní kontakt redukovaný na úkor skluzového. To má za následek větší skluzový úhel zadního kola. Je-li přenášen na zadní kolo výkon větší, než je adheze schopna přenést, zadní kolo se dostává do smyku. Znamená to, že kontakt zadního kola je pouze prokluzový a pneumatika nedokáže přenášet laterální sílu. Zadní kolo je tedy unášeno po tečně opisované kružnice (stopy průjezdu), snaží se dostat směrem ven z kružnice. Tuhle situaci řešíme natáčením řídítek proti směru jízdy, extrémní situaci lze pozorovat na ploché dráze. Při silničních závodech lze tohle driftování také vidět, avšak to není tak evidentní. Pořád jsme v zatáčce a motocykl narovnáváme, tudíž se nám kontaktní plocha a tlak na otisku mění a k dosažení smyku potřebujeme větší hnací sílu - víc přidat. To je důvodem, proč během výjezdu z apexu přidáváme plynule. Nakonec se dostáváme do bodu, kdy držíme plný plyn, motocykl stojí rovně (pokud jsme nedosáhli plného plynu dřív) a my se řítíme vpřed s rohlíkem na tváři.

Co se týče použití rozdílné konstrukce pneumatiky na jednom motocyklu, není to vhodné právě díky úhlu prokluzu. Zhoršuje se tím zejména čitelnost úhlu prokluzu, driftů, a tím samozřejmě čitelnost chování motocyklu během průjezdu zatáčkou. Obecně pro bezpečnost platí pravidlo použití o stupeň lepší konstrukce na zadním kole.

POKRAČOVAT V DALŠÍ KAPITOLE

Kapitoly článku

Autoři článku obdrželi prémie 330 Kč od 43 uživatelů. Prémie jsou již uzavřené, děkujeme.

Jak se Vám líbil tento článek?
Průměr: 1.00
Známkováno: 1x

Vložení komentáře

Pokud chcete vložit komentář, tak se registrujte a přihlaste.



TOPlist