Reibung zwischen Straße und Reifen eines Autos

Wie sind sie also auf diese FBD gekommen, um zu zeigen, dass es nur eine Reibungskraft in der der Bewegung des Autos entgegengesetzten Richtung gibt?

Es gibt nicht unbedingt nur eine Haftreibung nach vorne. Allein die Tatsache, dass es vier Räder gibt, impliziert mehr als eines. Im Freikörperkraftdiagramm ist aber die Summe aller Haftreibungskräfte eingezeichnet.

Und diese Summe muss rückwärts sein. Einige lokale Haftreibungskräfte können hier und da nach vorne zeigen, aber die Gesamtsumme muss rückwärts sein. Es gibt keine anderen horizontalen Kräfte, wenn also diese gesamte Haftreibungskraft nicht nach hinten gerichtet wäre, würde das Auto nicht langsamer werden - es gäbe keine Rückwärtsbeschleunigung (das ist Newtons 2. Gesetz).

Außerdem drückt der Bremsbelag beim Bremsen gegen die Räder, richtig? Wie erklärt die Interaktion zwischen Bremsbelag und Rädern die Reibung zwischen Reifen und Fahrbahn, die sie in diesem Freikörperdiagramm gezeigt haben?

Die Beläge üben Reibung auf das Rad (innerhalb der Felge) aus. Diese Reibungskraft wird in ein Drehmoment umgewandelt, das die Raddrehung verlangsamt. Diese langsamere Raddrehung bedeutet nun eine langsamere Radumfangsgeschwindigkeit.

Ein rollendes Rad, das nicht durchrutscht, hat eine Radumfangsgeschwindigkeit, die genau der (relativen) Geschwindigkeit der Oberfläche entspricht . Sonst stünde nicht jeder Punkt des Rades in dem Moment, in dem er die Oberfläche berührt, still auf der Oberfläche. Und dann würde es nicht rollen, sondern gleiten.

^{Quelle: All That Matters Academy}

Wenn die Radumfangsgeschwindigkeit gleich der (relativen) Oberflächengeschwindigkeit ist, ist alles gut. Aber sobald das Rad langsamer wird, sind diese beiden Geschwindigkeiten nicht mehr synchron. Die Haftreibungskraft tritt auf und verlangsamt das Auto, sodass die (relative) Oberflächengeschwindigkeit immer noch mit der Radumfangsgeschwindigkeit übereinstimmt und gleich ist.

Wie kann das Bremsen das Auto kurz vor dem Rutschen halten?

Wie bereits erwähnt, erzeugen die Bremsbeläge eine kinetische Reibungskraft auf der inneren Felge des Rades. Wenn Sie das Bremspedal betätigen, werden diese Beläge stärker auf die Felge gedrückt. Die kinetische Reibungskraft ist :

$$f_k=\mu_k n$$

wo die Normalkraft$n$ist das Maß dafür, wie stark die Pads auf die Oberfläche gedrückt werden. Bei stärkerem Druck muss das Felgenmaterial eine größere Normalkraft ausüben$n$um nicht zu vermeiden, sich zu verbiegen oder zu brechen, und so$n$erhöht sich. Also die Gleitreibungskraft$f_k$erhöht sich.

Und wenn diese kinetische Reibung zunimmt, nimmt das entgegenwirkende Drehmoment aufgrund dieser Reibungskraft zu. Verwenden Sie das 2. Newtonsche Gesetz in seiner Rotationsversion, um zu sehen, dass ein größeres Gegendrehmoment eine größere negative Winkelbeschleunigung und damit eine schnellere Verlangsamung der Raddrehung verursacht.

Und damit eine schnellere Verzögerung des Autos selbst, da eine größere Haftreibung am Rad und Boden auftritt, um ein Rutschen des Rads über den Boden zu vermeiden. Je stärker Sie auf Ihr Bremspedal treten, desto größer wird diese Haftreibung – sie ist mit Ihrem Pedaldruck einstellbar.

Denken Sie daran, dass die Haftreibung eine Grenze hat :

$$f_s\leq\mu_s n$$

Die erforderliche Haftreibung zum Abbremsen des Fahrzeugs, damit das Rad nicht rutscht, muss kleiner als diese maximale Grenze sein. Wenn Sie stärker bremsen, wird die Haftreibung größer, aber das ist kein Problem, wenn Sie unter dieser Grenze bleiben. Das Auto wird wie erwartet schneller abbremsen.

Aber wenn Sie so stark bremsen, dass die Haftreibung mehr als möglich ansteigen muss – sie muss über ihre maximale Grenze ansteigen, um die Verlangsamung des Autos zu bewirken, die erforderlich ist, um ein Rutschen der Räder zu verhindern – dann kann es ' tu es nicht. Dann gibt die Haftreibung auf. Dann übernimmt die Gleitreibung zwischen Rad und Boden. Und das bedeutet Rutschen und Gummibrennen.

Daher ist die effektivste Bremsung am größtmöglichen und unterhalb dieser Grenze. Mit anderen Worten: Am Rande dieser Haftreibungsgrenze wird am effektivsten gebremst .

Wenn Sie versuchen, diese Grenze beim Bremsen zu erreichen, können Sie sie überschreiten – und dann spüren Sie einen plötzlichen Traktionsverlust, wenn die Haftreibung verschwindet und die Gleitreibung übernimmt.