Что происходит в пятне контакта? Для примера возьмем часть протектора площадью равной пятну контакта и последим, что с ним происходит. Когда исследуемое пятно достигает поверхности трассы, то под воздействием вертикальной нагрузки частицы резины в протекторе сдвигаются по отношению к продольной оси шины .Величина сдвига нарастает и приблизительно в районе 70% длины пятна контакта достигает своей максимальной величины – это место где вырабатывается львиная доля боковой силы. Дальше к концу пятна, вертикальная нагрузка падает, и частицы резины протектора рывком соскальзывают обратно в положение покоя. Угол, на который протектор в пятне контакта деформировался по отношению к продольной оси колеса, называется углом увода.
Частицы резины, деформируясь и стремясь вернуться в положение покоя, не действуют поодиночке. Деформируясь, они воздействуют на соседние частицы, деформируя их, и в то же время, опираясь на них. Во многом это похоже на ворс в платяной щетке, если мы надавим не нее пальцем, с боку. Мы непосредственно касаемся только нескольких ворсинок с краю, но деформация затрагивает значительно, большую зону. Шина с более тонким слоем резины в протекторе, требует меньшего угла увода, чем шина с более глубоким слоем, для достижения равной величины боковой силы.
Частицы протектора могут сдвигаться на определенное расстояние, после которого силы трения становится недостаточно для их дальнейшей деформации и частица пытается соскользнуть в свое положение покоя. По дороге она «натыкается» на соседние частицы, и снова цепляется за асфальт и снова деформируется – если шина находится близко к пределу сцепления и соответственно генерирует максимальную боковую силу, этот процесс зацепления – проскальзывания – зацепления происходит на более - менее постоянной основе. Когда угол увода увеличивается выше оптимального зона соскальзывания, находившаяся в задней части пятна контакта начинает увеличиваться в сторону передней части пятна. В конце концов, зона соскальзывания достигает переднего края пятна контакта и шина скользит. При этом она продолжает вырабатывать боковую силу за счет обычного трения, но эффект молекулярного приклеивания и механического зацепления значительно уменьшается. Так же падает и сила обычного трения – известно, что трение покоя выше, чем трение скольжения. Суммарная боковая сила резко падает и шина уже не может поддерживать ту же величину бокового ускорения.
Добавлено спустя 12 минут 37 секунд:
Часть 6
Кроме непосредственно протектора, боковина шины так же деформируется, внося свою лепту в величину суммарной боковой силы. То, при каком угле увода шина достигает максимального коэффициента сцепления, определяет ее cornering stiffness – боковую жесткость. То, как
быстро коэффициент падает, после того как пик пройден, определяет насколько легко или наоборот тяжело управлять автомобилем, обутым в эти шины, на или близко к пределу сцепления. Гоночные шины, а так же шины с низким профилем и жесткой боковиной, обычно обладают большей боковой жесткостью. Как правило, абсолютная величина коэффициента сцепления, у таких шин выше, но они являются плохой новостью для менее талантливого пилота – управление на пределе, в значительно большей мере напоминает прогулку по лезвию бритвы.
В продольном направлении, т.е. разгоне или торможении, механизм работы шины аналогичен.
Когда исследуемая нами порция протектора достигает поверхности дороги, происходит деформация и в ответ, так же как в случае с поперечными ускорениями, шина вырабатывает силу, воздействуя на дорогу, и ускоряет автомобиль. Попав в зону контакта частицы протектора, деформируясь, замедляются по сравнению со скоростью вращения колеса и частиц протектора не находящихся в пятне контакта. Эта разница в скорости называется Shear ratio. Так же как в случае боковой деформации, частицы протектора имеют лимит эластичности, достигнув которого, они не могут более цепляться за асфальт и соскальзывают в свое положение покоя. Задача пилота удерживать шину максимально близко к этому пределу (разница в скорости 5 – 15%), где шина вырабатывает максимальную продольную силу.
Автомобильная шина очень чувствительна к температуре. Для того чтобы все три компонента трения работали максимально эффективно, шина должна быть нагрета до оптимальной температуры. Когда шина деформируется и генерирует усилия, она выполняет работу. Побочным продуктом этой работы является выделение тепла. Основная часть тепла вырабатывается внутри протектора и боковин, как результат деформации частиц относительно друг друга. Соответственно чем больше деформация, тем больше тепла вырабатывается. Именно поэтому одна и та же шина, работая с меньшим давлением воздуха внутри, нагревается быстрее и сильнее, чем, если давление выше. До достижения оптимальной температуры, коэффициент сцепления ниже максимального, т.к. эффект механического зацепления снижен – резина недостаточно мягкая чтобы повторять микронеровности асфальта, то же происходит и с молекулярным приклеиванием. Если в процессе работы оптимальный температурный режим превышен, то лимит эластичности резко падает, при этом способность частиц резины цепляться за асфальт не снижается, а даже повышается. В результате частицы перегретой шины просто остаются на асфальте, отрываясь от шины – начинается разрушение, и коэффициент сцепления быстро снижается. Попав в зону контакта, и выполнив свою часть работы, частицы протектора нагреваются, выйдя из пятна контакта, они охлаждаются встречным потоком воздуха. Когда системы сбора данных на автомобиле, впервые, позволили инженерам считывать температуру протектора, во время движения они были шокированы, с какой скоростью менялась температура. За период времени от входа в поворот и выхода из него, температура успевала подскочить и снова упасть на десятки градусов! Устанавливая инфракрасные датчики, считывающие показатели температуры непосредственно перед, и сразу за пятном контакта, инженеры получили возможность четко отслеживать скорость нагрева в пятне, и скорость охлаждения вне пятна контакта. Столь быстрое повышение температуры, объясняет, почему в начале поворота машина Формулы 1 может на очень короткий промежуток времени развить ускорение до 5g, а потом ускорение падает до 4-4.5g.
Добавлено спустя 38 секунд:
Часть 7
Так почему широкая шина может развивать большую боковую силу, чем узкая, при одинаковой площади пятна контакта? Основными факторами является то что у более широкой шины, в запасе есть часть протектора вокруг пятна контакта которая не контактирует с дорогой, но, тем не менее, участвует в работе, поддерживая и усиливая сопротивление деформации, частиц протектора которые находятся в контакте с дорогой. Второй важнейший фактор это то, что более широкая шина, имея большую площадь, значительно быстрее охлаждается встречным воздухом. Т.е. хотя площадь соприкосновения с асфальтом у узкой и широкой шины одинакова, пятно контакта более широкой шины способно работать гораздо эффективнее.
Итак, мы знаем, что при наличии вертикальной нагрузки (будь то собственный вес или вес автомобиля, поддерживаемый этим колесом) шина, деформируясь, генерирует боковую и продольные силы способные ускорять автомобиль. Что происходит, когда автомобиль комбинирует боковое и продольное ускорение, например, разгоняется, на выходе из поворота?
Вертикальная ось – продольное ускорение, а горизонтальная – поперечное ускорение. Предположим, что машина способна развивать максимальное ускорение равное 2g как продольно, так и поперечно (на самом деле обычно, максимально возможное продольное ускорение меньше поперечного, т.е. это скорее эллипс, чем окружность).
Наш автомобиль тормозит, развивая продольное ускорение 1g. Проведя перпендикуляр до пересечения с окружностью, и от точки пересечения к горизонтальной оси, мы находим, что при продольном ускорении в 1g, автомобиль может развивать боковое ускорение равное 1.73g. Таким образом, мы видим, что хотя значения продольного и поперечного ускорения меньше чем максимально возможные, суммарное ускорение развиваемое машиной составляет 2.73g., т.е. значительно больше, чем то, что можно развивать в одном направлении. Задача пилота заключается в том, чтобы автомобиль постоянно находился как можно ближе к внешней окружности, т.е. развивал максимально возможное ускорение.
Если та же машина тормозит на пределе сцепления (2g) то возможности шин вырабатывать боковую силу равны нулю. Если на входе в поворот водитель будет постепенно снижать тормозное усилие, одновременно увеличивая боковое ускорение, то суммарное ускорение машины будет значительно выше, чем, если бы он сперва тормозил на пределе, а потом сразу перешел бы к повороту на пределе. Замечу, что, для водителя комбинировать разгон с боковым ускорением, значительно легче, чем торможение и поворот – в этом положении автомобиль наименее стабилен.
Было бы логично предположить, что чем выше вертикальная нагрузка, тем выше вырабатываемая сила. Так и есть, но, к сожалению, здесь все не так просто. Дело в том, что нас не интересует абсолютное значение боковой или продольной силы, которую генерирует шина. Что нас интересует на самом деле, это величина ускорения, которую шина может придать автомобилю. Мы помним, что ускорение равно силе деленной на массу, т.е. чтобы поддерживать тот же уровень ускорения сила должна расти пропорционально массе. К несчастью способность шины генерировать усилие растет, значительно медленнее, по сравнению с ростом вертикальной нагрузки, т.е. чем выше нагрузка, тем меньше коэффициент сцепления.
Добавлено спустя 23 секунды:
Часть 7
Таким образом, очевидно, что на одинаковых шинах, более тяжелый автомобиль будет ускоряться, как продольно, так и поперечно, медленнее, чем более легкий. Таким образом, высказывание о том, что тяжелая машина лучше «держит» дорогу не более чем миф. Что тяжелая машина делает лучше, это сохранение первоначальной скорости и направления, т.е. она требует большей силы, для того чтобы разогнаться, затормозить или повернуть.
Это необходимый фундамент для понимания того, что происходит с автомобилем в движении. Дальше, еще вернусь к таким свойствам шины как эффект поперечного угла развала (camber effects) и сопротивление качению и много чего еще крайне важного про шину - температура, износ и т.д. Дальше расскажу про важнейший принцип – распределение и перераспределение вертикальной нагрузки на колесах автомобиля. Это главный фактор, влияющий на характеристики управляемости автомобиля. На снегу и льду менее, а на асфальте точно.
Добавлено спустя 16 минут 3 секунды:
Рекомендую все это читать на ночь
Очень хорошо от бессонницы помогает 
