Miért tapad a gumi kanyarban?

Technika: Gyorstalpaló a gumikról

2021.04.29. 07:41

Mi az a kincs, ami a versenyzők számára a legfontosabbak között van, a hétköznapi motoros pedig retteg az elvesztésétől? Így van, a tapadás. A motor és az aszfalt közötti kapcsolatot létrehozó alkatrész megismeréséhez kezdetnek vegyük elő középiskolai fizikatudásunkat.

Most a terepmotorosok nélkül szisszentünk egy italt a motorozás technikai oltárán, mivel náluk a tapadás igencsak nehezen megfogható jelenség, bocsi srácok. A középiskolai tananyag része a súrlódás témaköre, aminek a vizsgálatához különböző kísérleteket lehet végezni, melynek során azt vizsgáljuk, hogy a tapadás és a csúszás milyen feltételekkel tud létrejönni. Ez általában Newton II. törvényéhez kapcsolódik, ezért ilyenkor megvizsgáljuk a testre ható erőket.

Nyugalomban lévő testre hat egy úgynevezett tartóerő, ami tartja a testet az adott felületen. Ha a próbatestet elkezdjük húzni, akkor előkerül a súrlódás fogalma is és előkerül kifejezésként a tapadási súrlódási együttható és a csúszási súrlódási együttható, amely a test és a felület közötti fizikai kapcsolat egyik legfontosabb paramétere.

A tartóerő és a súrlódási erő közötti összefüggés a súrlódási együtthatóval (görög „mű” betűvel jelölve) írható le: Fsúrlódás = μ * Ftartó. A súrlódási együttható elsősorban a felület minőségétől függ, vagyis minél érdesebb egy felület, annál nagyobb ez az érték.

A legtöbb esetben az összefüggés ilyen formában használható is, vagyis a tapadás témaköre itt lezárható lenne látszólag. Arra lehetne következtetni, hogy az létrejövő tapadás nem függ a tapadási felület méretétől, vagyis a gumi méretétől. De az azért feltűnő, hogy minél nagyobb és erősebb egy motor, annál szélesebb gumikkal szerelik.

A fenti példa megállja a helyét szilárd testek esetén. A gumi viszont nem szilárd test, hanem viszkoelasztikus test, ami azt jelenti, hogy „viszkózus” és „elasztikus” tulajdonságokkal is rendelkezik. Ez már a reológia tudományának területe, ami az anyagok folyási viselkedését vizsgálja. A viszkozitás a hőmérsékletfüggő sűrűségváltozás, az elasztikusság pedig a rugalmasságot jelenti, vagyis a deformációkkal szembeni viselkedést.

A tapadás, mint fizikai kapcsolat az aszfalt felületének részecskéi és a gumi részecskék közötti pillanatnyi molekuláris kötődés. Minél nagyobb felületen képes ez a kapcsolat létrejönni, annál nagyobb lesz a létrejövő erő a felületek között. Hasonló jelenség, ha ragtapasz ragad ránk: minél nagyobb felületen kapcsolódik a bőrünkhöz, annál fájdalmasabb az eltávolítása. Hasonlóról van szó a gumik esetében is.

Az aszfalt felülete alapvetően durva, ezért a gumira a tapadási felületen úgy hat, mint ezernyi tűszúrás, aminek következtében a gumi deformációt szenved és – most jön a trükk – még nagyobb felületen ér hozzá az aszfalthoz. Vagyis nő az a felület, ami az aszfalt felületének részecskéivel van kapcsolatban, ezáltal nő a tapadás is. Ha belegondolunk, a versenygumik sokkal puhább anyagúak, mint egy utcai gumi, vagyis sokkal könnyebben tudnak ilyen deformációt szenvedni. A versenypályákon mindig kritikus tényező az aszfalt minősége, amihez a különböző keverékű abroncsok használatával lehet alkalmazkodni (sima felülethez puha gumi szükséges az elérhető legnagyobb tapadási felület létrehozásához).

A gumik viszkozitása itt jön képbe, mivel ez nagyon fontos jellemzőjük. Néhányszor 10 °C-nyi hőmérsékletváltozásra nagy mértékben változik a gumik sűrűsége, vagyis puhul a gumi és ettől javul a tapadási képessége. Ezt mindenki tapasztalta már, hiszen melegített gumival mindig jobb a tapadás (illetve fordítva: hideg gumival sokkal nagyobb a hajlam a megcsúszásra), az utcai gumik viszont a hőmérsékletváltozásra sokkal kevésbé érzékenyek, egyben más hőmérséklet-tartományban is működnek. Az abroncsok esetében fontos tulajdonság az élettartam és a kopás, különösen, ha nem öt kört tervezünk menni a Hungaroringen. A kopást és elhasználódást a tapadás során ható folyamatos deformáció hozza létre, ami utcai gumik esetében sokkal kisebb, ezért az élettartam nagyobb, valamint a gumi öregedésével a deformációra való hajlam csökken a szerkezet keményedésével, ami tapadáscsökkenéshez vezet. Van még egy előnye is: a kopás mindig megmutatja, hogy van-e probléma a futómű és a gumi beállításaival, ráadásul más lesz a gumikép az egyes esetekben.

A gumik alapvetően érzékenyek a függőleges irányú erők nagyságára. A fenti gondolatmenet alapján logikus lenne, hogy minél nagyobb erő terheli a gumikat függőlegesen, annál jobban fog terülni és annál nagyobb lesz a tapadás. Sajnos ez nem igaz, mert a gumikra vonatkozó „függőleges terhelő erő - tapadási erő” kapcsolatnak minden esetben van maximum értéke, vagyis a terhelést tovább növelve nem nő tovább a létrehozható tapadási felület, és így a tapadási erő.

A helyzet bonyolítása érdekében hozzunk be még egy paramétert a képbe: a guminyomást. A kerékben lévő levegővel a gumi csillapító egységként működik, vagyis a függőlegesen ható erőkkel szemben dolgozik. Bonyolítsuk meg még egy lépéssel a képletet: vizsgáljuk a kanyarodás közben történő fékezés esetét.

A gumi nyomása lehet alacsony, optimális, illetve magas, aminek hatása van arra, hogy a gumi hogyan deformálódik. A deformáció 3 irányú a ledöntött motornál: keresztirányú, függőleges és hosszanti, vagyis a gumi összenyomódik függőlegesen, oldalirányban és a hossztengely mentén torzul. Ez utóbbira a legszemléletesebb a drag autók gumija a start pillanatában.

Tehát kanyarban van egy elég csúnyán torzuló gumink, aminek az lesz a következménye, hogy a tapadási felületen érintkező gumi egy rész bizony csúszni fog. Felületen belül. Vegyünk levegőt és emésszük picit: a tapadási felület egy része csúszik.

Nincs is ezzel nagy baj, sőt teljesen normális jelenség. Befolyásoló tényező a guminyomás, a gumi profilja (típusa) és mérete. Minél ballonosabb egy gumi, annál nagyobb dőlésszöget képes elviselni úgy, hogy a tapadási felület nem változik jelentősen. A ledöntés szögétől függ annak a körnek az átmérője, aminek a kerületén a motor éppen halad, viszon a ledöntés következtében ettől kisebb lesz annak a körnek az átmérője, aminek a kerületén a kerék éppen halad.

Vagyis mindenképpen létrejön egy eltérés a motor haladási iránya és a kerék haladási iránya között, így a tapadási felület torzulása mindenképp létrejön, ráadásul minél jobban le van döntve a motor, annál nagyobb a felületnek az a része, ami csúszik.

A gumiméretek közötti különbség ebből az aspektusból azt jelenti, hogy kisebb kontaktfelületen kisebb ledöntésnél történik meg a tapadási felület megszűnése, a kontaktfelület ilyenkor teljes egészében csúszásban van. 

Összegezve: a tapadás jelensége a gumi- és aszfaltmolekulák kapcsolódása. A gumi ezt deformációval biztosítja, a deformáció meghatározója a függőleges terhelés, illetve a gumi hőmérséklete, ám a terhelésnek van egy maximum értéke, ami fölött a tapadás nem nő. A gumi a benne lévő levegő hatására csillapító egységként működik, amivel csökkenti a függőleges deformációkat, viszont kanyarodás közben számít a gumi mérete is, mivel a gumi-aszfalt kontakfelület változása függ a gumi méretétől és jellemzőitől is. Alacsonyabb nyomás esetén könnyebb elérni a maximális terhelés határállapotát, míg magas nyomásnál az ideálistól kisebb a kontaktfelület.

Következmény: mindig a megfelelő méretű gumira van szükség a megfelelő nyomással. Plusz adalék: érdemes figyelni a lengéscsillapítók megfelelő állapotára és beállítására, hiszen a rugózott tömeg és a kerekek közötti kapcsolatot teremtik meg, így a motor lengéseiből származó változó terhelést is ők közvetítik a gumi felé.

Források: pirelli.com, nkp.hu, insideracingtechnology.com, reddit.com, morebikes.co.uk, Tony Foale, mtbiking.com, edbargy.net

Hirdetésblokkolóval néznéd éppen a Totalbike, és ettől mi éhen halunk.

A TB olvasása ingyen van, de a működtetése nem: szerzőink és családjaik táplálkoznak, és ami fontosabb: rendszeresen tankolnak, pénzért.

Kérjük, engedélyezd a TB-n a hirdetések megjelenítését, vagy ellehetetleníted a működését annak, amit épp olvasni szeretnél.