Какая машина остановится быстрее тяжелая или легкая
Как вес влияет на скорость автомобиля?
Вес — важнейшая эксплуатационная характеристика автомобиля, как в мотоспорте, так и среди дорожных автомобилей. Одна из первых формул, которая изучается в физике: Ускорение = сила/масса. Преобразуем: Сила = масса х ускорение.
Из формул следует: чем легче автомобиль, тем он быстрее будет ускоряться или потребует меньше усилий для разгона, чем тяжелый автомобиль.
Все автомобили Формулы 1 по правилам обязаны иметь минимальный вес (массу). В 2012 минимальный вес снаряженного автомобиля без топлива, но «с пилотом с его полным гоночным снаряжением» должен составлять не менее 640 кг (он стал тяжелее, чем несколько лет назад).
В 2015 вес увеличился до 702 кг, главным образом для того, чтобы дать возможность небольшим командам приспосабливать системы восстановления энергии к работе автомобиля в качестве дополнения к трансмиссии. Такое отличие в стартовой массе сделало болид, приблизительно, на 1,7 сек медленнее на круге средней трассы Ф-1.
Вот как это все работает. Вся эта масса должна быть ускорена трансмиссией. Автомобиль разгоняется медленнее, чем он мог бы ускориться из-за действия силы инерции вращающихся масс. Как только появляется достаточное сцепление шин с дорогой, вся доступная мощность двигателя направляется на движение болида по земле. Инженеры часто говорят об отношении мощности и веса, потому что на ранней стадии движения достаточное сцепление шин с дорогой определяет ускорение.
Поскольку более тяжелые автомобили ускоряются медленнее при одинаковой мощности, им потребуется больше времени, чтобы преодолеть одинаковую дистанцию и тем самым использовать больше топлива. Болиды Ф-1 и другие гоночные автомобили ограничены количеством используемого топлива, поэтому им надо выбрать одно из двух зол: или немного уменьшить мощность или использовать больше топлива по сравнению с более легким автомобилем.
Энергия, расходуемая на торможение, чтобы там ни было, не ограничивается. Более тяжелый автомобиль, оснащенный системой восстановления кинетической и тепловой энергий (ERS), восстановит больше кинетической энергии по сравнению с более легким аналогом при использовании тормозной фазы ERS, поскольку у него больше кинетической энергии. Однако, определенное время теряется при торможении более тяжелого автомобиля (ниже будет объяснено почему). Вероятно, это единственная самая большая потеря времени, которая приходится на прохождение поворотов и зависит от расположения гоночной трассы. Здесь работают несколько факторов, ставящих тяжелый автомобиль в невыгодное положение. Первый и самый главный — аэродинамика автомобиля. Гоночный автомобиль генерирует прижимную силу благодаря проходящему воздушному потоку, который толкает (поскольку большая сила создается над автомобилем) и прижимает болид к земле. Как только достигаются высокие скорости, прижимная сила начинает оказывать существенное воздействие. Если добавить 640 кг прижимной силы к 640 кг веса автомобиля, тогда на шины будут действовать двойной вес болида. Если вес автомобиля изменить до 702 кг, тогда коэффициент увеличения давления на шины составит 1,9. Это главный фактор, который помогает легкому болиду быстрее проходить повороты, чем более тяжелому. Только масса (автомобиля) должна ускоряться, но не усилие, создаваемое прижимной силой.
Легкий автомобиль проходит быстрее повороты из-за действия аэродинамических сил, которые прижимают его вертикальной нагрузкой, и автомобиль может двигаться быстрее на поворотах.
На рисунке выше изображен не болид Ф-1, но действие аэродинамических сил такое же.
Шины также играют свою роль в том, что более тяжелый автомобиль медленнее проходит круг трассы. Следует отметить, что качество шин дорожных пассажирских автомобилей существенно улучшилось за последние 50 лет. Для дорожных и гоночных автомобилей тенденции развития в этой области имеют много общего. Резина становится тверже, поскольку на нее действуют большие нагрузки. Но это приводит к уменьшению сцепления с дорогой (при прочих равных условиях, таких как температуры шины и форма)
Зависимость коэффициента трения(Friction coefficient) от коэффициента скольжения (Slip ratio) при увеличении вертикальной нагрузки (Vertical load)
Для тяжелых автомобилей тормозной путь длиннее потому, что торможение шины немного меньше из-за большей нагрузки (при одинаковых шинах).
В гонках обязательный минимальный вес болида устанавливается с целью обеспечения безопасности и равенства возможностей. Снижение веса так выгодно, что команды берут (и будут брать) на себя риски по структурной целостности и жесткости конструкции для достижения меньшего веса. Даже с минимальным весом материалы, которые можно использовать, ограничены. Например, нельзя использовать материалы с большей жесткостью, чем заданная, Причина — материалы дорого стоят и могут быть очень хрупкими. Или нельзя применять обедненный уран для балласта. Причина — уран достаточно плотный материал, но имеет остаточную радиоактивность, что вредно для пилотов.
За последние 40 лет у дорожных автомобилей для обеспечения безопасности наблюдается такие тенденции: автомобили становятся более прочными, устойчивыми к столкновению и с большим весом. Например, как Honda Accord изменился с 1980 по 2004: вес увеличился более, чем на50%, мощность почти в три раза. За период с 1999 по 2005 рейтинг безопасности NHTSA увеличился в 4 звезд до 5 звезд.
Разработка новых шин привело к улучшению сцепления их с дорогой, а значит увеличению скорости при прохождении поворота и снижению тормозного пути. Более широкие шины на дорожных автомобилях работают (отличия не очень большие) в условиях, когда нагрузка на единицу площади (пятно контакта) уменьшена, а сцепление с дорогой немного выше из-за свойств резины. Это действует на сухой дороге, и это действует на влажной дороге, что подтверждено всеми исследованиями. И это действует только до грани аквапланирования, которое возникает, когда шины не в состоянии пробиться через воду к дороге, чтобы контактировать с самой дорогой.
На льду узкие шины работаю лучше. Современные зимние шины сделали «проблему» широких шин на льду менее значимую, но все еще существующую. С заданными параметрами шин нельзя сделать много как с шинами дорожных автомобилей в эти дни, но использовать опыт возможно и даже выгодно. После нескольких лет работы для получения оптимального веса команды Ф-1 создали невероятно легкие, но эффективные структуры безопасности, включая защищенные монококи и легкие энергопоглащающие структуры, которые необходимы для прохождения различных краш-тестов. Учитывая чрезвычайную природу спорта, безопасность также развивалась в Ф-1. Главная задача — уберечь человека насколько это возможно. Спорт, конечно, по своей сути опасный, но постоянно развивается, чтобы убрать все негативы. Структуры безопасности – одна из областей, в которую автоспорт может сделать вклад для обычных легковых автомобилей.
Задача для 7-го класса. Чей тормозной путь длиннее: тяжелой машины или легкой?
Наш читатель Михаил прислал фотографию с текстом ответа на, казалось бы, простую задачу по физике. Но этот снимок на самом деле может породить бурные обсуждения. Входные данные таковы: есть две машины, одна тяжелая, другая легкая. Какую машину сложнее остановить, у какой при прочих равных условиях будет больший тормозной путь?
«Решали задачу 7-го класса: какую машину остановить труднее — тяжелую или легкую? — рассказал Михаил. — Я, как опытный водитель, ответил, что тяжелую. Но учительница в школе так не считает. По ее версии, более легкая машина имеет больший тормозной путь, а следовательно, ее сложнее остановить».
Мы предлагаем подумать над задачей 7-го класса пользователям Onliner. Но напомним, что в первую очередь — это физика для семиклассников, а не реальная жизнь!
Предположим, в «Дано» упоминается, что все условия, кроме массы, равны. То есть поверхность дорожного покрытия, шины (в том числе износ), скорость транспортных средств одинаковы. Не спешите с ответом, подумайте: с одной стороны, большая масса увеличивает инертность машины, с другой — увеличивает сцепление шин с дорогой. Так кто все же прав: ученик или наставник?
Ответ:
В поисках правильного ответа на, казалось бы, простую задачу мы обратились к преподавателю математики и физики c 30-летним стажем, соучредителю центра «100 баллов» Евгению Ливянту:
«Важно, чтобы у обоих автомобилей были одинаковые следующие условия: материал и рисунок протектора шин, поверхность асфальта, горизонтальная дорога. Масса транспортного средства в расчетах длины тормозного пути не имеет значения. Тут необходимо вспомнить, что сила трения скольжения вычисляется по формуле F (тр) = μN, где N — сила нормальной (то есть перпендикулярной поверхности) реакции опоры, а μ — коэффициент трения. Коэффициент трения вычисляется экспериментальным путем, является характеристикой материалов двух (обязательно) соприкасающихся поверхностей и указывается в таблицах (коэффициент трения резины по асфальту не равен коэффициенту трения резины по железу). Сила нормальной реакции опоры в случае движения автомобиля по горизонтальной дороге равна силе тяжести (N=mg).
Согласно второму закону Ньютона, в данном случае ma = –F (тр), откуда следует, что ускорение автомобиля не зависит от его массы (a=–μg). Одним словом, при равных прочих условиях тормозной путь тяжелой машины и легкой машины одинаков и не зависит от массы. Причем тормозной путь пропорционален квадрату начальной скорости. То есть при увеличении скорости в два раза тормозной путь увеличится в 4 раза.
Но я хотел бы оговориться, что все рассуждения приводятся для случая блокирования колес в начале торможения, то есть если автомобиль с началом торможения ведет себя как брусок. В реальности все гораздо сложнее: и колеса проворачиваются в зависимости от тормозной системы, и коэффициент трения скольжения существенно отличается от коэффициента трения качения… Я думаю, что инженеры учитывают еще какие-то параметры».
Но если вернуться к школьной задаче, то ответ однозначный: на горизонтальной дороге длина тормозного пути автомобиля не зависит от его массы.
Зависит ли тормозной путь от массы авто?
Люди часто прислушиваются к своим ощущениям, и это — здорово! Это особенно важно в межличностных отношениях. Но вот в отношениях с «железной леди» интуиция и ощущения часто нас обманывают. И один из примеров: большинство водителей думает, что у тяжелой машины тормозной путь длиннее чем у легкой. Это миф! Возможно, в некоторых случаях так и есть, но совсем не потому, что одна машина тяжелая, а другая — легкая 🙂 От массы авто тормозной путь не зависит! Удивлены? Я знаю 🙂 И как раз об этом я хочу сегодня написать.
Происхождение мифа
Откуда взялся водительский стереотип, что чем тяжелее машина, тем длиннее тормозной путь? Из практики, когда ежедневно мы используем служебное торможение. Привыкли ездить в одиночку, привыкли перед одним и тем же светофором тормозить за столько-то метров и нажимать педаль на столько-то сантиметров. Потом заполняем салон пассажирами, а багажник – вещами, и на том же светофоре машина хуже тормозит, проезжает дальше.
Здесь корень заблуждения: машина проезжает дальше при том же, привычном нам перемещении педали тормоза. Она способна остановиться так же интенсивно и с тем же тормозным путем, как и в случае одного водителя в салоне. Просто для этого нужно нажать на тормоз чуть сильнее, чем привык водитель. И эта схема будет работать вплоть до срабатывания АБС – предела возможностей торможения. Соответственно, АБС включится и при пустой, и при полной машине. Только чтобы ее включить на полной машине, нужно врезать по педали несколько сильнее, чем это требуется на пустой машине.
Несколько лет назад у нас с приятелями завязался спор на эту тему, они пытались доказать мою неправоту и в качестве подтверждения привели результат эксперимента учеников 9 класса одной из московских школ. Ребята взяли Газель и исследовали на практике зависимость тормозного пути и времени торможения школьного автомобиля-такси от скорости движения и массы. Понятное дело, в их эксперименте загруженная людьми машина при каждом заезде проезжала дальше, чем пустая. Потому что школьники использовали штатное торможение и, видимо, сравнивали тормозной путь машины с разной загрузкой при одинаковом нажатии педали тормоза. Если бы они тормозили экстренно, юзом, тормозной путь был бы одинаковым в обоих случаях. Но экстренное торможение на оживленной школьной улице — дело крайне небезопасное, да и навыки для этого нужны немалые…
На что же влияет масса?
Масса машины влияет на нагрев шин и тормозов
В первую очередь, масса влияет на нагрев шин и тормозных механизмов. Чем больше масса автомобиля, тем большей кинетической энергией он обладает и тем больше работы нужно совершить тормозам, чтобы остановить машину. Но запас «прочности» любых тормозов конечен и рассчитан производителем любой машины на штатные условия эксплуатации. Если мы возьмем Peugeot 107 и 10 раз подряд на асфальте затормозим «в пол», разогнав его до максимальной скорости, то спалим тормоза заживо. Или если мы бросим ему в багажник и салон пяток мешков с цементом, а на крышу поместим холодильник, то теоретически тормозной путь не должен измениться. Но штатные тормоза маленького Пыжика не рассчитаны на такую загрузку машины и, вероятно, не справятся с задачей — перегреются. Из-за чего тормозной путь увеличится.
Масса машины влияет на ощущение педали тормоза
Масса также сильно влияет на тормозные свойства машины. Но она влияет не на длину тормозного пути, а на чувствительность педали тормоза и на наши ощущения при этом. Машине все равно, сколько лишних килограммов ей нагрузили, она в любом случае способна на один и тот же экстренный тормозной путь, если выдержат тормоза. А водителю субъективно сложнее, потому что непривычно сильнее давить на педаль.
Еще можно сказать так: тормозной путь нагруженной машины увеличивается пропорционально массе при одном и том же перемещении педали тормоза. Но на предельные возможности машины масса не влияет. И при включении АБС одна и та же машина, будучи пустой или нагруженной, пройдет один и тот же путь до остановки. Понятно, что сравниваем на одной и той же дороге и начинаем тормозить на одной и той же скорости.
Или обратная ситуация: Бронированная Ауди А8 массой тонны 3-4 разгоняется до сотни куда быстрее, чем, скажем, Ока, которая весит килограммов 800, наверное. Тяжелее в разы, а разгоняется быстрее. Это же никого не удивляет. Конечно, все понимают, что масса не играет окончательную роль – поставь движок мощнее и полетит твоя масса, как пуля. А торможение – это ускорение со знаком минус, и здесь все аналогично. Вместо более мощного движка нажми на педаль тормоза сильнее, если машина стала тяжелее, и тормозной путь не изменится. А если еще более тяжелой – нажми еще сильнее, я еще более тяжелой – нажми еще сильнее, предела нет. Пока колодки не сгорят 🙂
Практическое подтверждение
Вы, конечно, можете мне возразить, что это все теория, а на практике все иначе… Однако я уже не первый год провожу курсы контраварийной подготовки водителей и на практике убеждаюсь в справедливости написанного: тормозной путь машины не зависит от ее массы. Кроме того, в следующей статье приведен видеоролик Bremstest с экспериментом на эту тему, и вы сможете увидеть все своими глазами.
В следующей статье будет также рассмотрена физика торможения и я научно обосную, что масса и загрузка машины не влияет на длину тормозного пути.
Зависит ли тормозной путь от массы, или физика за 8 класс
Чтобы не отнимать время у членов ЛЛ, отвечаю сразу: нет, не зависит. Но дьявол как всегда кроется в деталях. Вообще говоря, жизненный опыт подсказывает нам, что тяжёлые предметы разогнать и остановить куда тяжелее, чем лёгкие. И вообще, если одновременно бросить камень и пёрышко, то камень приземлится на землю первым. Что же ты нам, ТС, втираешь? А мне сказать нечего – да, камень приземлится раньше пера. Это очевидно. Но только пока мы находимся в воздушном пространстве. Вспомните-ка опыт, который наверняка показывали в школе: в длинной стеклянной колбе находятся пёрышко и камушек. Пока колба заполнена воздухом, камень падает на дно колбы гораздо быстрее пера. Но стоит откачать воздух, как рвутся все наши шаблоны: перо и камень приземляются одновременно.
Ладно, ладно! Дураку понятно, что тут виной сопротивление воздуха. Но ведь всё равно камень же тяжелее пёрышка! Земля притягивает камень сильнее, чем перо. И с этим утверждением тоже трудно поспорить. Тогда какого чёрта они в вакууме падают одновременно? Масса-то у них разная! И вот тут нужно сделать одно важное отступление. Вообще говоря, в физике различают инертную массу и гравитационную. Так уж было угодно демиургам нашей вселенной, что они в точности совпадают, поэтому в жизни мы не делаем различия между этими видами масс. Килограмм – он и в Африке килограмм. Однако, различие заключается в проявлении этих масс. Инертная масса показывает, насколько тяжело вывести тело из состояния покоя (или равномерного прямолинейного движения, что в сущности, по заветам первого закона Ньютона, одно и то же). Представьте себе тяжёлый маятник, подвешенный на длинной нитке. Масса его, допустим, 1 тонна. Сможете ли вы раскачать его? Скорее всего да, но это будет очень тяжело и долго. Точно так же трудно будет вам и остановить такой маятник, если он будет раскачиваться. Вот она – инертная масса.
С гравитационной массой всё немного проще. Именно она определяет то, с какой силой все тела притягиваются к Земле (ну а в общем случае то, как сильно тянутся друг к другу любые два тела в пространстве). И если 1000-килограммовый маятник вы хоть и с трудом, но сдвинуть в воздухе сможете, то приподнять его даже на миллиметр не сможет никто. Даже втроём. Забавно, что окажись этот маятник на Луне, то три человека его вполне бы подняли. А вот раскачать этот маятник было бы точно так же тяжело, как и на Земле. И даже на борту МКС. Инертная сущность массы проявляется в том, что чем она больше, тем тяжелее ей придать какое-то ускорение. А гравитационное проявление массы связано с массой второго тела, к которому она притягивается (но поскольку 99,9999999% людей живут на Земле, то мы волей-неволей считаем вторым телом нашу hjlye. планету, и даже ввели константу g — ускорение свободного падения на Земле, с помощью которой отождествляем МАССУ тела и СИЛУ, с которой оно притягивается к Земле). Надеюсь, с видами масс разобрались.
Вернемся к камню и пёрышку. Почему же в вакууме они падают одновременно? А потому, что насколько сильнее камень притягивается к Земле, нежели пёрышко, настолько же тяжело ему сдвинуться из состояния покоя. Допустим, камень весит 100 грамм, а перо – 1 грамм. Чтобы разогнать более тяжёлый и инертный камень, нужна сила в 100 раз бОльшая, чем для пера. Но, с другой стороны, камень в 100 раз сильнее притягивается к Земле, нежели пёрышко. И вот оно – наглядное подтверждение равенства инертной и гравитационной массы тела.
Ну что за нудятина? И при чём тут торможение вообще? Где сравнение КамАЗа и легковушки? Спокойно! Сейчас всё будет!
Итак, на картинке у нас два автомобиля: первый давит на опору всеми своими 10 000 килограммами, а второй только 1 000 кг. При этом опора (дорога, асфальт) по третьему закону Ньютона отвечает автомобилям с точно такой же силой N, но направленной в противоположную сторону, т.е. вверх. Представим, что оба движутся с одинаковой скоростью V, например, 72 километра в час, что равняется 20 метрам в секунду. Едут они по одной и той же дороге. Дорога идеально ровная, сухой асфальт. И вот в один и тот же момент они резко бьют по тормозам, колёса идут юзом, и автомобили останавливаются. Давайте разбираться, что же при этом происходит.
Как мы помним из нашей любимой физики, движущееся тело обладает кинетической энергией. Численно она равна половине произведения массы на квадрат скорости (в коментах напишите, кто при встрече с бетонной стеной ухандокается сильнее: 1000-килограммовый седан на скорости 110 км/ч или же 2-тонный внедорожник на 75 км/ч?). А у остановившегося автомобиля кинетической энергии нет, ибо скорость нулевая. Но мы же помним, что энергия просто так никуда не пропадает, она лишь переходит из одного вида в другой. Куда же перешла вся кинетическая энергия при торможении? А перешла она в тепловую – асфальт и шины тупо нагрелись. И заставила их нагреться сила трения Fтр. При этом, до момента торможения автомобиль проходит какой-то путь S. Таким образом, сила трения (которая зависит от массы m, ускорения свободного падения g и коэффициента трения µ) совершает работу по остановке автомобиля, равную произведению силы трения на это расстояние. И, поскольку вся кинетическая энергия пошла на работу по нагреву шин и асфальта, мы их тупо приравниваем:
Как нетрудно заметить, в третьей строке у нас сократились массы в левой и правой части. Физический смысл такого сокращения описан выше – это эквивалентность инертной (в левой части) и гравитационной (в правой) масс. Чем сильнее разогнать массивное инертное тело, тем неохотнее оно будет останавливаться. С другой стороны, чем больше масса тела, тем сильнее оно прижимается к Земле, тем выше сила трения, которая тормозит эту массу. Таким образом, тормозной путь автомобиля зависит только от скорости и коэффициента трения µ.
НО! Всё вышесказанное справедливо только при условии, что дорога идеально ровная, и все колёса обоих сравниваемых автомобилей тормозят юзом. Впрочем, пока что информации хватит. Если тема покажется интересной, то обо всех этих нюансах и об отличиях теории от реалий поговорим в следующий раз.
Мифы автолюбителей: Тяжелый автомобиль тормозит хуже лёгкого
Банки Сегодня Лайв
Статьи, отмеченные данным знаком всегда актуальны. Мы следим за этим
А на комментарии к данной статье ответы даёт квалифицированный юрист а также сам автор статьи.
Бытует мнение, что чем тяжелее автомобиль, тем длиннее у него тормозной путь. Так ли это на самом деле?
Действительно, многие автомобилисты считают, что тормозной путь фуры всегда длиннее, чем у легкового автомобиля и не брезгуют «сесть на хвост грузовику», полагая, что в случае необходимости резкой остановки всегда успеют остановиться раньше большегруза.
Другая часть автомобилистов, управляя груженным легковым автомобилем, чувствует ухудшение чувствительности педали тормоза и считает, что машина имеет бОльший тормозной путь по сравнению с пустым авто. На самом же деле тормозные возможности груженной машины никак не меняются, просто для остановки груженного автомобиля в том же самом месте требуется большее усилие на педаль тормоза.
К сожалению, водители часто нажимают на педаль тормоза с тем усилием, к которому привыкли мышцы ноги, а не которое требует от водителя дорожная ситуация, поэтому кажется, что машина тормозит хуже. Отсюда и возник обсуждаемый миф. В итоге дам следующие практические рекомендации водителям: