Przyczepność opon, a zjawisko aquaplaningu
W niniejszym tekście postaramy się przyjrzeć elementom opon, które mają bezpośredni wpływ na ryzyko wystąpienia aquaplaningu.
Zmagania opony z wodą dzielimy na dwa etapy:
- Rozproszenie wody
- Kanalizacja i odprowadzenie nieskanalizowanej wody
Kształt odcisku opony odpowiada za pierwszy etap. Za drugi odpowiedzialna jest zaś rzeźba bieżnika. Spróbujmy dokładniej opisać zadania poszczególnych elementów.
Kształt odcisku opony
Przed oponą toczącą się po mokrej nawierzchni powstaje klin wody. Bieżnik, uderzając o wodę przed powierzchnią kontaktu, wytwarza ciśnienie hydrodynamiczne. Jeśli jego wartość przewyższy ciśnienie wewnątrz opon, odpychanie wody przestaje być możliwe, a opona odrywa się od powierzchni drogi.
Wartość ciśnienia hydrodynamicznego obliczamy korzystając ze wzoru:
Wzór pokazuje jasno, że ciśnienie hydrodynamiczne wzrasta w kwadracie prędkości ruchu.Im szybciej będziemy więc jechać, tym większe ciśnienie będzie wywierane przez klin wody. Gdy ciśnienie przewyższy poziom ciśnienia w ogumieniu pojawia się zjawisko akwaplanacji. Największe ryzyko wiąże się z szybką jazdą na słabo napompowanych oponach. Wtedy nawet stosunkowo mała prędkość nie uchroni nas przed tym niebezpiecznym zjawiskiem.
Poniższy wykres demonstruje przykładową zależność między szybkością pojawienia się aquaplaningu, a ciśnieniem w oponie:
Poniższy wykres demonstruje zaś znaczenie wpływu ciśnienia na wielkość strefy kontaktu z nawierzchnią:
Jak było powiedziane wyżej, przed oponą toczącą się na mokrej nawierzchni powstaje klin wodny. Trzeba go skutecznie rozproszyć na boki, zanim ciśnienie które wywiera na przednią krawędź powierzchni kontaktu przewyższy ciśnienie w oponie. Obserwujemy tutaj zjawiska typowe dla mechaniki cieczy.
Kształt płaski stawia większy opór niż zaokrąglony. W odniesieniu do samochodowych opon reguła mówi, że im kształt strefy kontaktu jest bardziej zaokrąglony tym więcej wody zostanie rozproszone. Przedstawiony wyżej wzór można rozbudować poprzez uwzględnienie kąta rozpraszania wody w konkretnym miejscu wynikającym z kształtu strefy kontaktu.
Dzięki temu, będziemy mogli obliczyć wartość ciśnienia hydrodynamicznego dla danego miejsca:
Matematyka pokazuje, że wraz ze wzrostem kąta spada ciśnienie hydrodynamiczne.
Rzeźba bieżnika
Różnorodność współczesnych rzeźb bieżnika jest gigantyczna. Opony poszczególnych producentów mają jednak pewne cechy charakterystyczne. Niektórzy producenci będą preferować bieżniki asymetryczne, inni kierunkowe. Różnorodność istnieje również pomiędzy oponami z wyższych i niższych półek cenowych.
W skład rzeźby dzisiejszego bieżnika wchodzą rowki kątowe, poprzeczne, obwodowe oraz lamel. Głównym zadaniem lameli jest zapewnienie skuteczne odprowadzanie wody. Dzięki układowi rowków woda jest ewakuowana i nie tworzy zawirowań w miejscach, gdzie spotykają się kanały obwodowe. Istotna jest szerokość i wysokość tych rowków (innymi słowy - przekrój). Głębokość rowków opon dostępnych na rynku europejskim waha się w graniach 7-8 mm. Poniżej prezentujemy zestawienie najczęściej występujących obecnie szerokości elementów rzeźby:
W oparciu o nasze wcześniejsze rozważania, można stwierdzić, że prawdopodobieństwo wystąpienia aquaplaningu jest tym większe im:
- wysokość rzeźby bieżnika jest mniejsza, a gęstość jego rzeźby większa (czyli mały jest udział rowków bieżnika),
- większa jest prędkość jazdy,
- głębsza jest warstwa wody na drodze,
- mniejsze jest ciśnienie powietrza w oponie.
Wszystkie te elementy wiążą się z ilością wody jaka musi być ewakuowana przez bieżnik. W sposób uproszczony można obliczyć ją na podstawie poniższego wzoru:
Ilość wody wytłoczonej w określonym przedziale czasu obliczamy korzystając ze wzoru:
Korzystając z powyższego wzoru, jesteśmy w stanie obliczyć ilość wody, która musi być ewakuowana spod opony w ciągu każdej sekundy jazdy. Na potrzeby niniejszego artykułu skorzystamy z opony o szerokości czoła bieżnika 145 mm i 225 mm. Problem będziemy rozważać w kontekście różnych prędkości i głębokości wody. W ten sposób uświadomimy sobie, z jak dużymi ilościami wody muszą radzić sobie opony.
Pierwszy przypadek dotyczyć będzie bieżnika przy takiej samej prędkości i głębokości wody. Przyjmijmy, że głębokość liczy 3 mm, a prędkość to 50km/h, czyli 13,9 m/s. W tych warunkach przepływ wody wynosi:
Między szerszą, a węższą oponą różnica wynosi aż 55%! Znaczy to, że im szersza opona tym większe musi być jej przystosowanie do większego przepływu wody.Szersze opony muszą więc lepiej kanalizować i rozpraszać wodę.
Przyjrzyjmy się w jaki sposób wzrasta ilość wody do odprowadzenia wraz ze wzrostem jej głębokości.
W przypadku opony o szerokości czoła 145 mm, wzrost głębokości wody z 3 do 7 mm spowodował wzrost z 6.05 l/s do 14,1 l/s. Dla opony o szerokości czoła 255 mm wskaźnik wzrósł z 9,38 l/s do 21,9 l/s. W obydwu przypadkach mamy więc do czynienia z niemal dwukrotnym wzrostem ilości wody z jaką opona musi sobie poradzić. Jest jeszcze jedna zmienna, którą możemy rozpatrzeć w oparciu o nasz wzór. Chodzi mianowicie o prędkość ruchu.
Przyjrzyjmy się, jak zmieni się wymagana zdolność przepływu przy wzroście prędkości z 50 do 100 km/h. Bazując na poprzednich przykładach, można się domyślić, że dwukrotny wzrost prędkości spowoduje dwukrotny wzrost ilości wody do odprowadzenia. Posłużymy się przykładem „ekstremalnym”. Przy głębokości wody 7 mm.
Powyższe obliczenia mają charakter wyłącznie teoretyczny. Pomijają wiele ważnych właściwości samej opony. Ich zastosowanie ma uzmysłowić nam, jak istotnymi czynnikami w czasie jazdy po mokrej nawierzchni są prędkość, głębokość wody oraz szerokość opony. Warto zdać sobie sprawę, że szeroka opona nie musi być na mokrej drodze gorsza niż węższa. Różnica polega na tym, że szersza opona musi ewakuować większą ilość wody. Producenci uwzględniają tą zależność i zwiększają ilość rowków dla większych rozmiarów. Inżynierowie wykorzystują też fakt, że z pomocą zaokrąglonego śladu odcisku, możliwe jest zmniejszenie ilości wody do skanalizowania. Szerokość opony jest w określonym momencie parametrem stałym. Głębokość wody trudno ocenić na pierwszy rzut oka. Tylko prędkość jest czynnikiem, na który mamy bezpośredni wpływ. Dlatego, by uniknąć aquaplaningu warto na mokrej powierzchni jeździć wolniej.
Bardzo chciałbym przeczytać podobny artykuł ale z uwzględnieniem hamowania z systemem ABS na suchej nawierzchni asfaltowej pozbawionej piasku i kurzu oraz na posypanej piaskiem. Ponoć droga hamowania na suchej nawierzchni z systemem ABS jest dłuższa. Czy to jest prawda ?
Bardzo ciekawy artykuł, dowiedzialem sie jak ważnym elementem jest ciśnienie w oponach oraz jak dużo wody odprowadzane jest prze bieżnik opony. Przydałby się teraz artykuł na temat zchowania się różnych opon w czasie hamowania na jezdni.
Zobacz także