На что влияют размеры шины?
Привет! Последнее время я часто слышу различные высказывания о шинах, о пятне контакта шины с дорогой, о рисунке протектора. Интересно, что среди многих водителей бытуют заблуждения по этой части, а главное - что от года к году, от человека к человеку эти заблуждения одни и те же. Поэтому я решил написать серию статей о шинах, чтобы расставить все по местам.
В этой статье я напишу о терминологии и о маркировке шин, а в следующих - о практической пользе размеров.
Размеры шины
Каждая шина имеет свою размерность:
- ширина профиля,
- высота профиля,
- посадочный диаметр.
Например, 225/45 R18 означает следующее:
- Ширина профиля равна 225 мм
- Отношение высоты профиля к его ширине составляет 45%.
- R – радиальный тип корда в шине
- 18 – посадочный диаметр (т.е. внутренний диаметр шины) составляет 18 дюймов.
Оговорю сразу некоторые типичные заблуждения. Иногда считают, что 45 – не отношение, а высота профиля, видимо, в миллиметрах. Это не так, и самое главное, что высота профиля нигде никогда не указывается. Понятно почему – она не имеет практического смысла (ну разве что в плане уязвимости шины при проезде по бордюрам и другим неприятным местам), а смысл имеет именно отношение высоты профиля к ширине – в данном случае это 45%. Об этом – в следующих статьях.
Далее, R18 – это не «восемнадцатый радиус», а два независимых символа, ни тот, ни другой не имеющие отношения к радиусу :).
R – радиальный тип корда. Сейчас все шины радиальные (раньше были еще диагональные), поэтому оставлю эту тему, и интересующимся могу порекомендовать дополнительные материалы. Кроме того, подробно о шинах вы можете узнать на курсе водительского мастерства: "курс МВА для водителя: Мастерство Вождения Автомобиля".
А 18 – не радиус, а диаметр, т.е. расстояние от края до края диска колеса. В дюймах. 18 дюймов, в данном примере. Т.е. «R» не имеет никакого отношения к «18» и не означает «радиус», а «18» - это размер не радиуса, а диаметра :)
Сцепление шины с дорогой не зависит от площади пятна контакта?
Ширина профиля. Площадь пятна контакта
Шина под действием силы тяжести автомобиля деформируется, образуя так называемое пятно контакта. Пример из жизни: если сидящий в автобусе ребенок прислонится носом к окну, то папа с мамой с улицы увидят смешной «пятак» на кончике носа :). Это и есть пятно контакта. Аналогичная картина и с шиной, которая прижимается к дороге.
Среди автолюбителей принято считать, что чем шире шина, тем больше площадь пятна контакта шины с дорогой и тем лучше сцепление с дорогой. И, якобы, тем короче тормозной путь, тем лучше маневренность и управляемость машины. А еще иногда думают, что если машина тормозит не прямо, а боком, то тормозной путь будет короче, потому что шире пятно контакта. Это не так.
Сразу приведу доказательства из физики.
Тормозной путь:
S = V2/2µg (1)
Здесь S – тормозной путь, v – скорость движения машины, µ - коэффициент трения шины о дорогу, g – ускорение свободного падения.
Как видно, тормозной путь не зависит от ширины профиля шины и площади пятна контакта шины с дорогой. В этой формуле есть единственный «представитель» от шины – это коэффициент трения, который зависит от природы соприкасающихся тел. В данном случае – от типа дорожного покрытия и от химического состава резиновой смеси протектора шины. Соответственно, и сцепление шины с дорогой зависит от состава резиновой смеси протектора. Поговорим.
Почему же пятно контакта не влияет на силу сцепления?
Очень просто. С одной стороны, чем больше его площадь, тем большим числом «щупальцев» шина цепляется за дорогу. Этот факт лежит на поверхности, и люди охотно думают, что сцепление пропорционально ширине шины. Но есть и другая сторона медали, о которой многие забывают: от размера пятна контакта напрямую зависит вес шины, приходящийся на единицу площади, то есть давление, которое она оказывает своим весом на дорогу. Чем больше площадь контакта, тем меньше давление шины на дорогу. Прошу вас не путать давление шины на дорогу с давлением воздуха в шине :)
Два примера из жизни
Что такое тупой нож и острый нож? Тупой – у которого лезвие толще, а острый – у которого тоньше. Разница всего лишь в давлении, которое нож оказывает, например, на хлеб. Тоньше (т.е. меньше площадь контакта ножа с хлебом) – больше давление, лучше режет, толще – хуже.
Предположим, рыбаку нужно перейти замерзший пруд с тонким льдом. Какие лыжи нужно надеть? Беговые – с шириной около 5 см, или охотничьи – с шириной порядка 30 см? Конечно, охотничьи. Потому что они шире, на них будет меньше давление на лед и ниже вероятность провалиться.
По этой причине, кстати, зимние шины всегда уже летних – чтобы увеличить давление на дорогу и лучше «вгрызаться» в снежно-ледяную корку.
В итоге, если мы увеличиваем площадь пятна контакта (т.е. вместо 205-й шины ставим 255), то мы уменьшаем давление на дорогу. Получается, во сколько раз мы увеличиваем площадь сцепления с дорогой, ровно во столько же раз мы уменьшаем давление на дорогу. Баш на баш – и сцепление не меняется.
Влияет ли на сцепление рисунок протектора?
Как кстати не влияет на сцепление и рисунок протектора. Если вы обратите внимание на гоночные слики, в той же Формуле 1, то они вообще "лысые" и не имеют какого-либо рисунка. Рисунок на летних шинах нужен только для того, чтобы отводить воду из пятна контакта. На сцепление влияет не рисунок, а тип протектора: грязевой, зимний, дождевой, летний. На летних шинах вы увязнете в грязи и снегу, а на грязевых "тракторных" не проедете быстро по извилистой дороге. Но это принципиально разный тип протектора, с разным предназначением.
Возьмите три разных шины Nokian Hakkappeliitta: 4,5 и 7. Рисунок у всех разный, но суть одна, все модели хорошие. Можно также взять топовые зимние шины от разных производителей Nokian, Michelin, Gislaved, Goodyear. У всех рисунки протектора разные, но характеристики схожи. Потому что у всех одинаковое предназначение и зимний тип протектора, имеющий грунтозацепы и ламели, а главное - состав резины. А вот у россиян, не помню точно производителя, есть шина - по рисунку протектора точная копия Goodyear Ultragrip 500. И разница между ними, как между небом и землей, как вы понимаете. Как рисунок не копируй, а без качественного состава резины никуда. И сцепление шины с дорогой зависит не от того, какой рисунок на шине - в ёлочку, полосочку или клеточку, а от состава резиновой смеси.
То есть зимними или летними шины делает тип протектора, а рисунок - единственное, что может "пощупать" покупатель при покупке и что может повлиять на эмоциональное восприятие шины. Конечно, есть любители запаха резины, который стоит в шинных магазинах, но это уже отдельный разговор :)
Что говорят о сцеплении законы физики?
Если снова прибегнуть к помощи формул, то сила трения сцепления (она же сила трения покоя) в отсутствии адгезии (эффекта приклеивания соприкасающихся поверхностей) определяется законом Кулона:
F = µN = µmg (2)
где µ - коэффициент сцепления, N - вес тела (шины, в данном случае), m - масса тела (шины), g - ускорение свободного падения.
Как вы понимаете, дорожные шины не приклеиваются к асфальту, поэтому это как раз наш случай. Как видите, площадь пятна контакта в силу трения покоя вклада не вносит, как и в длину тормозного пути.
Чтобы было понятнее, куда же делась площадь, можно закон Кулона переписать иначе, с учетом площади пятна контакта и отразить влияние пятна на давление. Все просто: давление тела на опору или, в нашем случае, шины на асфальт равно весу тела (шины), деленному на площадь контакта:
P = N/S = mg/S (3)
где P - давление шины на дорогу, N = mg - все тот же вес шины.
Тогда отсюда можно выразить вес через давление:
N = PS (4)
Теперь, если подставить эту формулу в закон Кулона, получим:
F = µPS (5)
Или, выражаясь человеческим языком, сила сцепления шины с дорогой пропорциональна коэффициенту сцепления, давлению шины на дорогу и площади пятна контакта. Это именно то, как воспринимает силу сцепления большинство людей. Но здесь зарыта собака - в том, что давление напрямую зависит от площади пятна контакта и обратно пропорционально ему. Об этом нам говорит формула (3). Поставляя сюда выражение для давления, получим:
F = µmgS/S (6)
Тогда площадь мы успешно сокращаем и приходим к закону Кулона (2) и силе сцепления, не зависящей от площади пятна контакта.
Шина катится за счет трения качения или... покоя?
Кстати, скажу еще об одном частом заблуждении. Трение бывает разным: трения покоя, качения, скольжения. И часто люди думают, что шина катится за счет трения качения. Не буду углубляться в эти вопросы, напишу кратко. Шина катится за счет трения покоя. То есть во время качения пятно контакта шины с дорогой покоится относительно дороги.
Удивлены? А вы обратите внимание на ноги, обувь идущего человека. Как только человек делает шаг, его ступня останавливается, и он перемещает вес с нее на вторую ногу и делает еще один шаг. Выходит, верхняя часть тела человека движется в то время как одна нога покоится. Аналогично ведет себя шина, только она делает много-много маленьких шажочков, перекатываясь с одного элемента шины на другой, и каждый из них в момент переката покоится относительно дороги. Соответственно, во время качения между шиной и дорогой действует сила трения покоя.
Если же пятно контакта начинает двигаться относительно дороги, то это означает скольжение шины, и здесь трение покоя переходит в трение скольжения.
А трение качения - совершенно иной вид трения, возникающий из-за деформации шины и направленный всегда в сторону против направления качения. Чем больше деформация шины, тем выше трение качения. Поскольку спущенная шина деформируется больше накачанной, то напрашивается простой вывод: следите за давлением в шинах и поддерживайте его, согласно указаниям в руководстве пользователя автомобиля. То есть трение качения - паразитный вид трения, от которого, кстати, зависит расход топлива. Если силу трения покоя шины с дорогой конструкторы пытаются увеличить, то силу трения качения всегда пытаются уменьшить.
Выходит, сцепление шины с дорогой - сила трения покоя, и она не зависит от ширины шины и площади пятна контакта.
В чем практический смысл?
А применить в жизни написанное выше очень просто. Сцепление шины с дорогой - основа безопасного вождения, чем оно выше, тем безопаснее вы можете вести машину. Это ни для кого не секрет. Некоторые водители прохладно относятся к тому, какие шины стоят на их машинах, и думаю, что это неважно. Важно! Чуть ли не самое важное, что есть в машине. Но среди тех водителей, которые ценят безопасность, сцепление с дорогой и шины, встречаются те, которые думают, что они улучшат сцепление, если поставят на свой авто более широкие шины. Или еще часто думают, что можно повысить сцепление, установив шины с более "навороченным" рисунком протектора. Как вы уже поняли, это вещи не связанные.
Конечно, широкие шины важны, ведь для чего-то из производят и устанавливают на машины. А для чего нужны широкие шины - мы обсудим в следующей статье или на курсе MBA для водителя: Мастерство Вождения Автомобиля", но тормозные свойства машины от них не улучшатся.
Кстати, еще задумайтесь над таким фактом: если было все так просто и широкие шины тормозили бы лучше узких, то производител шин могли бы легко решить проблему зимы - делали бы широченными зимние шины, и все дела! Однако этого не происходит и, более того, происходит обратное: зимние шины, как правило, уже летних...
Итак, чтобы улучшить сцепление шин с дорогой, нужно установить шины, сделанные из резины более высокого качества. Проблема в том, что при покупке шины мы не можем оценить качество состава резины и почти на 100% оцениваем шину визуально - по дизайну протектора, а также по ширине и высоте профиля. На это многие и покупаются...
Как же правильно выбрать шины? К сожалению, четкого ответа на этот вопрос нет. Есть общие соображения, их три.
- ориентируйтесь на тесты шин в автомобильных журналах. Это не панацея, но по крайней мере даст вам общее представление о хороших и не очень шинах.
- выбирайте шины известных производителей. Идея не решит сразу все вопросы, но шины, скажем, Michelin всегда будут лучше отечественной Камы или корейской Kumho.
- выбирайте шины премиум-сегмента или, иначе, с высоким индексом максимальной скорости. У каждого производителя есть шины разного класса, с составом разного качества и с различной силой сцепления с дорогой. Например, у Michelin в линейке есть Economy, Pilot Exalto и Pilot Sport, это, соответственно, шины со средним сцеплением, хорошим и очень хорошим. И по разной цене. Вот и решайте.
Вы также можете заметить, что хорошие дорогие шины часто бывают шире средненьких эконом-класса, а также с более низким профилем. Это не значит, что ширина напрямую влияет на "держак", но ширина профиля важнее для хорошей шины, чем для шины без претензии на скорость. Об этом и о том, для чего нужны низкопрофильные шины - в следующих статьях.
А пока промежуточный вывод: сцепление шины с дорогой не зависит от ширины шины, площади пятна контакта, дизайна протектора, а зависит от состава резиновой смеси протектора.
Еще кое что, что следует знать о шинах:
У каждой шины есть специальная маркировка, указывающая индекс максимальной скорости, на которой шина сохраняет свои сцепные свойства. Как правило у зимней резины они ниже, чем у летней, поэтому прошу обратить внимание на индексы скорости, чтобы не убиться.ИНДЕКС СКОРОСТИ | A1 | A2 | A3 | A4 | A5 | A6 | A7 | A8 | B | C | D | E | F | G | J | K | L | M | N |
СКОРОСТЬ, КМ/Ч | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 50 | 60 | 65 | 70 | 80 | 90 | 100 | 110 | 120 | 130 | 140 |
ИНДЕКС СКОРОСТИ | K | L | M | N | P | Q | R | S | T | H | V | W | Y | VR | ZR | ZR(Y) |
СКОРОСТЬ, КМ/Ч | 110 | 120 | 130 | 140 | 150 | 160 | 170 | 180 | 190 | 210 | 240 | 270 | 300 | >210 | >240 | >300 |
Для чего нужны широкие шины?
Широкие шины меньше перегреваются и изнашиваются
Одна из причин того, зачем делают широкие шины - чтобы они меньше перегревались и изнашивались. Только и всего, но это очень актуально для спортивных машин. Именно поэтому на спорткарах и машинах для дрэг-рейсинга устанавливают широченные "катки". Но не только поэтому, есть еще одна причина - уменьшение увода шины, и о ней я расскажу в следующих статьях.
И конечно, большая ширина шины и большая устойчивость к перегреву позволяет дольше сохранять первоначальное сцепление с дорогой. К примеру, берем два комплекта шин одинакового состава разной ширины: 4 узеньких и 4 широких. О обоих коэффициент сцепления с асфальтом одинаков и равен, допустим, 0,8. Ставим их по очереди на одну и ту же спортивную машину с одним и тем же пилотом и выпускаем на гоночную трассу, засекаем время прохождения круга. Через какое-то количество кругов шины будут изнашиваться, и к концу, допустим, 20-го круга, у узкой износ будет заметно большим и сцепление снизится, скажем, до 0,6. А у широкой - только до 0,7. И, естесственно, поэтому (по разным причинам, но поэтому тоже) на широких шинах пилот проедет заезд быстрее, чем на узкой. Но не потому, что у широкой шины, якобы, изначально выше сцепление с дорогой, как многие считают. Типа, если взяли узкую шину с коэффициентом сцепления 0,8, то у такой же в полтора раза более широкой будет сразу 1,2. Ну да, а если поставить на одну ось рядом пять узких шин, то что будем иметь коэффициент сцепления 4,0 что ли??? :)
Кстати, обратите внимание, что на раллийных машинах для езды по грунту или снегу стоят шины узкие, в отличие от асфальтовых споркаров. Значит, в каких-то ситуациях широкие шины даже проигрывают узким, логично ведь? И если бы ширина шины прямо влияла на силу сцепления с дорогой, было бы все просто и однозначно: везде бы стояли широкие-преширокие шины, и летом, и зимой, и на городских, и на гоночных машинах.
Отпускаем газ - увеличиваем сцепление передних шин
Небольшое отступление. Меня однажды «порадовал» ответом на вопрос инструктор одной из московских школ вождения. Я проходил курсы водительского мастерства, мы делали змейку, и нас учили бросать газ на каждом входе в поворот, у каждого конуса. Когда я спросил «а зачем?», в ответ услышал следующее: «Бросая газ, мы увеличиваем пятно контакта передних шин с дорогой, тем самым улучшаем их сцепление, а значит и скорость прохождения поворота. Об этом говорит элементарная физика». Спорить я, конечно, не стал, но... Слышим звон, не знаем, где он…
В чем фишка. Про сброс газа перед поворотом, а точнее, про бессмысленность этого уже много написал уважаемый мною Михаил Горбачев (www.drive-class.ru), так что оставим это в стороне. Тем не менее, сцепление передних шин действительно улучшается на те самые доли секунды, пока сброшен газ. Но почему? Мы же договорились, что пятно контакта не влияет на сцепление?! Да, не влияет, но здесь дело в другом. Вспомним закон Кулона. Сила сцепления (трения покоя) равна:
F = µ N = µ m g
Где N – вес. И кстати, не путаем вес с массой! Масса – это масса (в килограммах), а вес – сила, с которой тело давит на опору (в ньютонах). Далее, m – масса машины, g – ускорение свободного падения.
Отпуская газ мы перераспределяем вес с зада машина на передок, увеличиваем массу, приходящуюся на переднюю ось. То есть увеличиваем вес передней части машины. Если в покое на переднюю ось приходится 500 кг массы, то под сброс газа мы можем получить 700 кг. Естесственно, это увеличит вес – N и тем самым сцепление передних шин. Понятно, что под дополнительным весом передние шины дополнительно расплющиваются, и площадь пятен их контакта с дорогой увеличивается. Но это лишь следствие увеличенния нагрузки на шины, и никак не причина увеличения их сцепления! Пятно контакта, как обычно, тут совсем ни при чем.
Почему отпускать "газ" в повороте опасно?
Добавлю про опасность отпускания педали газа на повороте. Делая это, мы нагружаем переднюю ось машины и одновременно разгружаем заднюю. А руководствуясь вышенаписанными соображениями приходим к выводу, что сцепление задних шин с дорогой в этот момент ухудшается, и появляется риск заноса автомобиля. Кстати, отпускание педали газа на входе в поворот - один из основных приемов гонищков на ралли, которым они пускают машину в управляемый занос. Не верите? Приходите на курс контраварийного вождения "Зимняя контраварийная подготовка" и сами попробуете :) Это есть в обязательной программе, это проходят все студенты Kaminsky Driving School.
Когда помогают спущенные шины?
Еще одно заблуждение. Есть такая рекомендация – если надо ехать по льду, а у тебя летние шины – спусти давление наполовину. Якобы увеличится пятно контакта, что улучшит сцепление шины со льдом и укоротит тормозной путь. Тоже неправда. То есть пятно контакта, конечно же, увеличится, и даже тормозной путь уменьшится, но одно из другого никак не следует :)
Почему полиция в кино стреляет по колесам? Потому что существует такая вещь как сила трения качения – паразитная сила, которая возникает из-за деформации катящегося тела и оказывает ненужное сопротивление движению. Чем мягче тело, тем больше деформация и трение качения. У поезда оно практически отсутствует – стальные колеса, жесткие. У машины трение качения есть, а у машины на спущенных колесах оно просто огромно. Соответственно, спуская шины мы увеличиваем трение качения и тем самым оказываем дополнительное сопротивление движению и помогаем машине остановиться. А площадь пятна контакта не влияет на сцепление шины с дорогой и тут вообще ни при чем.
Она «при чем» только в одном случае. Когда едем по болотистой местности, замерзшей реке, можно подспустить шины, чтобы увеличить пятно контакта и снизить давление шин на поверхность болота, льда и тем самым снизить риск провалиться. Как с лыжами. Вот это единственная от него польза. Ну или можно заранее поставить более широкие шины. Если для городской зимы ставим более узкие – чтобы продавить поверхность льда, то здесь – наоборот, широкие, чтобы не дай Бог не продавить :)
В чем практический смысл?
Подведем итоги. Широкие шины дают несколько преимуществ по сравнению с узкими, причем сделать шину шире может как производитель, так и водитель - временно снизив давление воздуха в ней.
Вам помогут шины с широким профилем, если:
- вы участвуете в спортивных соревнованиях по асфальту (кольцевые гонки, драг-рейсинг и т.п.). Плюс широкого профиля - в большей устойчивости шин к перегреву и износу;
- вы движетесь по ледяной, рыхлой, зыбучей или болотистой местности с риском провалиться. Широкие шины снизят давление машины на поверхность "дороги" и улучшат проходимость машины. В этом случае вы можете либо снизить давление в шинах, либо поставить более широкие шины накануне поездки.
Итак, широкие шины нужны, в первую очередь, чтобы снизить нагрев и износ протектора. Это особенно актуально для спортивной езды, поэтому спортивные автомобили обычно "обуты" в широченные шины. Или, любители езды по бездорожью используют широкие шины, чтобы передвигаться по рыхлым, хрупким или болотистым поверхностям и не провалиться. В следующем выпуске я расскажу, для чего нужны низкопрофильные шины.
Справедливо и обратное. У слишком узких шин есть опасность перегрева протектора на торможении, в повороте или при разгоне. Поэтому не стоит экономить и ставить шины уже, чем советует производитель, они будут нагреваться и уровень безопасности вашей езди заметно снизится.
Для чего нужны низкопрофильные шины?
Ниже профиль шины - мощнее тормоза
Первое. Чем ниже профиль шины, тем больше радиус колеса (или, по-народному, "диска") при одном и том же внешнем радиусе шины. Многие считают, что так красивее. Согласен, но это все романтика, а дело в другом. Чем больше диаметр колеса, тем больший по диаметру тормозной диск можно поставить на машину. А это, в свою очередь, снижает нагрев тормозов и продлевает стабильность тормозной системы, что опять же особенно актуально для спортивных машин.
Мощнее тормоза - больше попыток торможения
Напомню, что большие тормозные диски, керамические колодки, многопоршневые суппорты нужны только для одного – для снижения нагрева тормозов. Это позволяет сохранить интенсивность торможения и длину тормозного пути при многократных и интенсивных торможениях. Я подчеркну: чтобы сохранить тормозной путь, а не укоротить. Мощная тормозная система не позволит сделать тормозной путь короче, чем обычные штатные тормоза, потому что длина тормозного пути определяется качеством шин и дорожного покрытия. И Жигули и Порше, будь они обуты в одни и те же шины, остановятся с одной и той же скорости одинаково быстро. Если, конечно, тормоза Жигулей исправны :) Разница лишь в том, что для Жигулей это может быть первая и последняя попытка в ближайшие 10 минут, а для Порше – хоть еще 50 попыток сделай, все ни по чем. Конечно, «поршовые» тормоза тоже перегреваются, просто для этого надо затратить куда больше усилий.
Кстати, мы с инструкторами каждый раз убеждаемся в этом, проводя курсы контраварийной подготовки "Зимняя контраварийная подготовка" и "Летняя контраварийная подготовка". Торможение на зимнем покрытии автомобилей разного класса и с разными по силе тормозами очень наглядно. Если шины одинаковы, неважно, какие тормоза, главное - чтобы они справлялись со своей задачей - доводили шины до проскальзывания. Подробное объяснение этому вы можете прочитать в статье "Физика торможения", а также в ответе на вопрос гостя нашего сайта о влиянии тормозов.
Второе. Чем ниже и одновременно шире профиль, тем меньше обсуждаемое соотношение "45". Тут фишка в уменьшении увода шины, о чем мы поговорим в следующей статье.
Итак, одно из преимуществ низкопрофильных шин - возможность установки тормозных дисков большего диаметра. Мощные тормоза не позволяют сократить тормозной путь машины, но долго не дают ему удлиниться, потому что остывают лучше обычных тормозов и дольше сохраняют работоспособность.
