Vad är finessen med breda däck?

2006-02-02 14:39  
Fördel eller nackdel?

Varför har Formel 1-bilarna så himla breda däck? Går det att köra fortare då? Det är teknikfrågan i veckans nummer av Ny Teknik och frågan besvaras av läsarna själva.

Gammal Audiracer - med smala däck.
? Under fysiklektionerna i skolan fick jag lära mig att friktionskraften är friktionskoefficienten multiplicerad med normalkraften. Alltså är kraften areaoberoende. Men trots detta har tävlingsbilar breda däck. Gör ökad anliggningsyta att det går att köra fortare, och i så fall varför?

Det frågade Lasse Karlsson i NyT 2006:1-3. Här kommer läsarnas svar:

! Helt rätt. Ju bredare däck ju större friktion. Dagens sportbilar har hög effekt på motorerna, och effekten skulle till stor del gå förlorad om däcken tilläts spinna. Man vill ha så hög fart som möjligt genom kurvorna, vilket kräver hög friktion.

Däckbredden är helt beroende på bil. En dragster vill ha extremt breda bakdäck för att få ner all effekt i asfalten. En formel-1 bil har nästan lika breda däck i fram som i bak, allt för att klara kraftiga accelerationer och snabba svängar. En rallybil har däremot smala däck för att gräva sig ner genom löst grus, och få mönstret att fästa i den fastare jorden.
Andreas Jonsson, Jönköping

! Friktionskraften är areaberoende . Normalspänningen (sigma) kan betraktas som en utbredd kraft vars kraftresultant är normalkraften. Normalspänningen är ju normalkraften per ytenhet, och normalkraften blir därför normalspänningen multiplicerat med ytenheten.

Ju bredare däcken är desto större blir normalkraften, och då kommer friktionskraften att bli större. Däremot kommer slitaget på däcken att öka, och friktionen mot vägbanan att bli så hög att bilen kommer att gå trögare. Man strävar därför efter ett optimalt förhållande mellan däckarea och friktionskraft.
Peter Edrud

Modern Ferrari-racer med breda däck.
! Friktionskraften är proportionell mot kontaktytan. Man måste skilja mellan verklig och skenbar kontaktyta. Det gäller speciellt för fysik-labbarnas formstyva material, där den skenbara kontaktytan kan vara flera tusen gånger större än den verkliga. På mikroskopisk nivå förekommer verklig kontakt enbart fläckvis , där ytornas små upphöjningar tangerar varandra. Ju större yta dessa fläckar har, desto större friktionskrafter kan de överföra. Detta framgår i universitetets fysikböcker. Egentligen ökar alltså den maximalt tillgängliga friktionskraften [Fmax] när den verkliga kontaktytan [Aeff] ökar. [Fmax = k1·Aeff]

Om den skenbara kontaktytan ökar, ökar också antalet kontaktfläckar så att yttrycket minskar och fläckarnas totala area är oförändrad. När friktionskraften då förblir konstant dras ibland (den förhastade) slutsatsen att friktionskraften är areaoberoende.

När normalkraften [N] ökar, deformeras materialen i fläckarna av det ökade yttrycket, så att den sammanlagda verkliga kontaktytan [Aeff] ökar. [Aeff = k2·N]

När vi har eliminerat arean ser vi alltså att den tillgängliga friktionskraften är proportionell mot normalkraften. [Fmax = k1·k2·N] där den så kallade friktionskoefficienten [my] nu kan betraktas som en produkt av två "konstanter" [my = k1·k2]. Jämfört med skolans demonstrationsmateriel är däckets slitbana mer följsam, så att dess verkliga kontaktyta ökar med den skenbara. De viskoelastiska material som används i däck gör också situationen mer komplex. Exempelvis deformeras ett rullande däck enligt principer som skolfysiken inte behandlar men som utnyttjas i låsningsfria ABS-bromsar.

Resonemanget kan utvecklas enligt nedan - kanske som svar på kommande frågor om friktionsdäck, om vattenplaning kontra moddplaning eller om styrbarhet kontra kursstabilitet (se min illustrerade artikel i Nationalencyklopedin).

Däckets gummi kan ge friktionskrafter trots att slitbanan glider på en vattenfilm och saknar direkt kontakt med underlaget. Det åstadkoms genom viskös dämpning eller inre hysteres i gummit (elastomeren). Men innan det blir någon dämpning måste två villkor vara uppfyllda. Först måste tillräckligt med mellanliggande vatten, snömodd eller annat smörjmedel dräneras bort. Sedan måste gummit drapera sig omkring underlagets ojämnheter. Underlaget får alltså inte vara blankpolerat som på vintervägar utan dubbtrafik. Då är de dubbfria friktionsdäcken inte mycket bättre än sommardäck.

Enligt en förenklad modell av moddplaning är dräneringstiden proportionell mot moddens viskositet och mot kontakt-ytan i kvadrat. Moddplaning kan inträffa i betydligt lägre fart än vattenplaning och bakhjulen skyddas inte på samma sätt bakom framhjulens "svallvågor".

Vi vet att bilens girrotation sätts igång av framhjulens sidkrafter och hejdas av bakhjulens (se kursstabiliteti Nationalencyklopedin). Därför bör man ge gas så att drivhjulen tenderar att spinna, om man vill ta sig rakt genom moddsträngar med en framhjulsdriven bil. Att köra försiktigt och koppla ur eller att använda anti-spinn är något som då kan rekommenderas enbart för bakhjulsdrivna bilar.

Effektivare undanträngning-dränering av snön är också ett av motiven till att man kör med smala däck på snövägar i rallytävlingar. Men på torr, kall is med rå textur kan det återigen vara fördelaktigt med stor kontaktyta.
Lennart Strandberg
professor emeritus, Linköpings universitet

Nästa fråga är lysande och rör rör:

? Ett lysrör är ett urladdningsrör, men med tiden så vill det inte längre lysa utan kommer i stället att börja blinka. Vad sker egentligen när detta inträffar? Visserligen innehåller röret glödtrådar, men de är väl endast till för tändning av lysröret?
Nils Hammar, Mölndal

Skicka in era svar och nya intrikata frågor till
teknikfragan@nyteknik.se

Fler teknikfrågor finner ni på
http://www.nyteknik.se/teknikfragan

Kaianders Sempler

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt

Läs mer