Warum erfordern dünne Reifen weniger Pedalkraft?

Jeder weiß (Zitat erforderlich), dass (bei festem Felgendurchmesser) Reifen mit kleinerem Querschnitt weniger Kraftaufwand erfordern, um sich zu bewegen (zumindest auf einer asphaltierten Straße).

TL; DR. Wieso den?

Ein bisschen Kontext.

Ich dachte immer, dass dieses Phänomen auf die Größe der Kontaktfläche zwischen jedem Reifen und der Straße zurückzuführen ist. Insbesondere nimmt die Fläche dieses Flecks ab, wenn Sie den Reifenquerschnitt verringern. [Dies setzt voraus, dass ein Reifen mit kleinerem Querschnitt einen höheren Mindestdruck hat, was im Allgemeinen zutrifft] . Die Reibung ist proportional zur Kontaktfläche QED.

Ich habe jedoch kürzlich überlegt, dass Reibung (wie fast jeder weiß) ein Drehmoment erzeugen würde, das bewirkt, dass sich das Rad schneller dreht [Anmerkung 1] . Also musste ich mir eine alternative Erklärung einfallen lassen. Mein bester Versuch ist dieser. Wenn Reifen A einen kleineren Querschnitt als Reifen B hat, hat Reifen A einen höheren Herstellerdruck als Reifen B und ist daher weniger anfällig für Verformungen. In Bezug auf die Energieeinsparung verformt sich ein Reifen kontinuierlicherfordert ziemlich viel Energie, und hier geht unsere kostbare kinetische Energie verloren, wenn wir aufhören zu treten und unser teures Spielzeug (oder in meinem Fall ein billiges Spielzeug) zu einem traurigen Stillstand kommt. Reifen A saugt also weniger Energie als Reifen B und erfordert daher weniger Kraftaufwand. Wie können wir das in Kräften ausdrücken? In der Nähe des Kontaktpunkts muss eine Asymmetrie der Kräfte vorliegen, die ein Drehmoment verursacht, das die Drehung des Rads verlangsamt. Können Sie diese Asymmetrie beschreiben?

[Anmerkung 1. Reibung ist eine Kraft, die auf die Kontaktfläche ausgeübt wird, mit einer Richtung, die der Bewegungsrichtung entgegengesetzt ist. Daher erzeugt Reibung ein Drehmoment, das das Rad schneller dreht. Zum Beispiel würde ein Rad ohne jegliche Reibung nahtlos gleiten, ohne zu rollen.]

[BEARBEITEN. Ich entschuldige mich für die schlampige Formulierung der Frage. Ich habe bearbeitet, um bei Bedarf Klarstellungen hinzuzufügen. Ich habe mich dafür entschieden, Text hinzuzufügen, anstatt ihn zu entfernen, da einige Kommentare sonst fehl am Platz aussehen würden]

Was meinen Sie mit "Reibung [...] würde ein Drehmoment erzeugen, das bewirkt, dass sich das Rad schneller dreht "? Könntest du etwas genauer erläutern, wie du das meinst?
Ihre erste Aussage stimmt nicht, denn bei gleichem (!) Druck hat ein 28-mm-Reifen eine kleinere Aufstandsfläche als ein 23-mm-Reifen, benötigt also weniger Leistung für gleiche Geschwindigkeit und gibt bei gleicher Leistung mehr Geschwindigkeit. Da aber viele größere Reifen für etwas mehr Komfort mit etwas geringerem Druck gefahren werden, erhöht sich der Rollwiderstand.
@Carel Gleicher Druck hat gleichen Kontakt. P/SI x SI = P
Ich wäre sehr überrascht, wenn diese Frage hier nicht bereits beantwortet wird. Hast du nach einem gesucht?
Dünne Reifen haben im Allgemeinen dünnere, weniger knorrige Laufflächen, und knorrige Laufflächen sind eine echte Belastung für die Leistung.
@frisbee : schwalbe.com/de/rollwiderstand.html
@Carel Was ist der Zweck, mich zu diesem Link zu leiten? Darin heißt es: "Bei gleichem Luftdruck haben ein breiter und ein schmaler Reifen die gleiche Aufstandsfläche. Ein breiter Reifen ist über seine Breite abgeflacht, während ein schmaler Reifen eine schmalere, aber längere Aufstandsfläche hat."
Es erklärt die Zusammenhänge zwischen Rollwiderstand, Reifenbreite und Druck.
@Carel Cool, aber ich stelle die Frage nicht
@astabada, dies wäre besser auf <a href=" physical.stackexchange.com/">Physics SE</a> oder <a href=" chemistry.stackexchange.com/">Chemistry SE</a>, wenn Sie möchten eine wissenschaftliche oder verlässliche Antwort
@Carel Bisher nützlichste Antwort/Kommentar, danke.

Antworten (5)

Ihre Eröffnungsforderung:

Jeder weiß (Zitat erforderlich), dass (bei festem Felgendurchmesser) Reifen mit kleinerem Querschnitt weniger Kraftaufwand erfordern, um sich zu bewegen (zumindest auf einer asphaltierten Straße).

Stimmt eigentlich nicht . Ihre nächste Behauptung stimmt auch nicht. Die Aufstandsfläche eines Reifens ist für einen bestimmten Druck nahezu gleich, unabhängig davon, welche Reifenbreite verwendet wird. Wenn ich einen Reifen habe, der auf 100 psi aufgepumpt ist, und das Fahrrad und ich 200 Pfund wiegen, beträgt die Kontaktfläche zwischen beiden Rädern fast 2 Quadratzoll. Druck ist Kraft dividiert durch Fläche.

Ihre dritte Behauptung ist auch nicht wahr, da die Haftreibung nur ungefähr proportional zur Normalkraft ist und es nicht einmal eine Rolle spielt, denn wenn die Kontaktfläche den Boden berührt, bewegt sie sich nicht einmal !

Durch Variieren der Breite des Reifens, während die Kontaktfläche konstant bleibt, ist die Form anders, insbesondere wird der Patch kürzer, wenn der Reifen breiter wird. Dies führt zu einer geringeren vertikalen Verschiebung des Gummis im Reifen, wenn das Rad rollt. Ross Millikans Antwort beschreibt, dass die Durchbiegung im Gummi die Hauptquelle des reifenbedingten Rollwiderstands ist.

Es zeigt sich, dass breitere Reifen bei festem Luftdruck weniger Rollwiderstand haben als schmalere Reifen.

Entscheidend ist nicht die Breite des Reifens, sondern der höhere Druck. Es ist viel einfacher, einen kleinen Hochdruckreifen herzustellen als einen breiten, und das zu vernünftigen Gewichten und Kosten. Da die Herstellung eines Hochdruck-Breitreifens eine größere Herausforderung darstellt, können außerdem Maßnahmen wie dickere Laufflächen erforderlich sein, die die Energiekosten der Reifendurchbiegungen erhöhen, so dass sie bei einer stärkeren Durchbiegung des Software-Gummis ein Nettonegativ sind, und so weiter.

Ich werde nicht einmal auf Ihre Drehmomenttheorie eingehen, weil Sie offensichtlich verwirrt sind über die wirkenden Kräfte.

Ich werde nicht einmal auf Ihre Drehmomenttheorie eingehen, weil Sie offensichtlich verwirrt sind über die wirkenden Kräfte. Würden Sie darauf näher eingehen, wenn ich bitte sagte?
Von Anfang an war die Frage "Wenn Reifen A einen kleineren Querschnitt als Reifen B hat, hat Reifen A einen höheren Herstellerdruck als Reifen B und wird daher weniger anfällig für Verformungen sein." OP sagt eindeutig aus, dass sich ein Hochdruckreifen weniger verformt "daher weniger verformt wird". Bei der Frage geht es um eine Asymmetrie der Kräfte, und diese Antwort trägt nichts dazu bei.
Wie bei großen Hochdruckreifen - es sind der Wulst und die Karkasse, die den Druck halten - nicht mehr Gummi. Kraft ist Druck mal Volumen. Weder die Felge noch der Wulst konnten mit großen Hochdruckreifen umgehen. Und ein großer Hochdruckreifen hat keinen Zweck.
@Frisbee: Ein größerer Druckbehälter erfordert stärkeres oder dickeres Material, dh Sie würden mehr Gummi benötigen. Siehe Wiki-Seite. Sie müssten alles ansprechen, um einen fetten Hochdruckreifen herzustellen.
Material - kein Gummi. Gummi ist ein furchtbares Material, um Kräfte einzudämmen, wenn es sich ausdehnt (z. B. Ballon). Mein Kommentar war sehr klar: "Es sind der Wulst und die Karkasse, die den Druck halten - nicht mehr Gummi". Ein Reifen, der bis zum Kabel abgefahren ist, hält den Druck immer noch gut. Und wieder gibt es keinen Zweck für große Hochdruckreifen.

Der Verlust ist Reibung bei Verformung des Gummis des Reifens. Wenn Sie den Reifen von rund (wenn er nicht auf dem Boden steht) zu flach (wenn er den Boden berührt) biegen, wird Wärme erzeugt. Wenn der Reifen schmaler ist und der Druck höher ist, ist weniger Gummi an der Walkarbeit beteiligt. Höherer Druck bedeutet zwar weniger Kontaktfläche, aber darauf kommt es hier nicht an. Dies ist ein Energie-, kein Drehmomentargument.

Wenn Sie über Drehmomente sprechen möchten, verstehe ich nicht, warum Sie der Meinung sind, dass Reibung das Rad beschleunigen sollte. Ich würde sagen, der Teil des Reifens, der gerade in Kontakt kommt, erzeugt ein Verzögerungsdrehmoment und der Teil, der den Kontakt verlässt, erzeugt ein Beschleunigungsdrehmoment. Beide Drehmomente werden reduziert, weil die (nahezu vertikale) Wirkungslinie fast entlang des Radradius verläuft. Das Verzögerungsmoment ist aufgrund der oben erwähnten Verluste größer. Dies ist wirklich dasselbe wie das obige Energieargument, wie es sein muss. Die Verluste sind die gleichen, wie man es auch betrachtet.

Es gibt wahrscheinlich auch Argumente dafür, dass höhere Drücke zu einer geringeren Verformung führen.

Eine Antwort, die ich auf diese Frage noch nie gesehen habe, ist, dass das Trägheitsmoment des dickeren Reifens größer ist als das eines dünnen Reifens.

Selbst bei niedrigem Druck hält ein dickerer Reifen mehr Luft als ein dünner Reifen. Das bedeutet, dass eine größere Luftmasse geschleudert werden muss – deshalb erfordern dickere Reifen mehr Kraftaufwand. Bei gleichem Druck ist im dicken Reifen noch mehr Luft als im dünnen.

Das Trägheitsmoment spielt nur beim (Ent-)Beschleunigen eine Rolle und selbst dann ist es nicht einmal so wichtig. Dickere Reifen erfordern aufgrund des Drucks mehr Kraftaufwand.
@whatsisname richtiger "Fetter Reifen erfordern wegen des [mangelnden] Drucks mehr Aufwand"
Es kommt auf den Druck an. Wenn Sie sich den empfohlenen Druck ansehen, werden Sie feststellen, dass in Reifen unterschiedlicher Größe die gleiche Menge Luft vorhanden ist.
@whatsisname Zusätzlich zum Beschleunigen und Abbremsen müssen Sie auch ständig Energie hinzufügen, um nicht langsamer zu werden. Hier kommt die zusätzliche Energie ins Spiel.
Nehmen wir einen 23-mm-Reifen und einen 38-mm-Reifen, beide mit dem gleichen Druck. Das entspricht etwa 73 % mehr Luft, und dann kommt noch das zusätzliche Gummi hinzu, das Gewicht hinzufügt. Ich glaube nicht, dass es nur am Druck liegt. Das liegt daran, dass das zusätzliche Gewicht nur in den Teilen steckt, die Sie zum Weiterdrehen benötigen.
@jcbrou: aber das hängt nicht mit dem Trägheitsmoment Ihres Rads zusammen, das liegt an der Verformung des Reifens, der Räder und der Ineffizienz Ihrer Naben. Sobald sich ein Rad dreht, braucht es keine Energie mehr, um es am Laufen zu halten, egal ob es ein Gramm oder eine Tonne wiegt. Die aufzuwendende Energie ist weitgehend unabhängig von der Radmasse. Ein bewegtes Objekt bleibt in Bewegung.
@whatsisname Es hängt vollständig mit dem Trägheitsmoment zusammen. Die Reibung, die das Rad verlangsamt, muss durch die Energie ersetzt werden, die Sie dem System hinzufügen, wenn Sie die Geschwindigkeit beibehalten möchten. Diese Energie ist direkt proportional zur Masse / zum Trägheitsmoment dessen, was Sie bewegen. Wenn es keine Reibung gäbe, müssten Sie keine Energie mehr hinzufügen, weil sich das Rad für immer von selbst drehen würde.
@jcbrou: Nur die Reibung, die das Rad verlangsamt, hängt von anderen Dingen als der Masse Ihrer Räder ab. Bei einer bestimmten Geschwindigkeit ist der Widerstand zB Ihrer Naben eine feste Wattzahl, unabhängig davon, wie viel Ihr Laufrad wiegt. Darüber hinaus tragen im Beispiel der Naben die Naben nicht das Gewicht des Rads, sie tragen Ihr Gewicht, was den Punkt fördert, dass es keine Rolle spielt, ob Ihre Räder 1 Gramm oder eine Million wiegen.
@whatsisname Ich versuche Ihnen zu sagen, dass Sie mit der Reibung Recht haben - jeder weiß, dass Sie weiter in die Pedale treten müssen, um sich auf einem Fahrrad fortzubewegen -, aber falsch liegen, was es braucht, um das Rad zu drehen. Wir schweifen hier in die Physik ab, aber das Trägheitsmoment ist die Rotationsmasse des Rads. Die zum Drehen des Rads erforderliche Kraft (und Energie) ist direkt proportional zu diesem Trägheitsmoment. Unabhängig davon, was dazu führt, dass das Rad seine Drehung verlangsamt, müssen Sie Energie hinzufügen, um es am Drehen zu halten, und diese Energie ist proportional zum Trägheitsmoment.
@jcbrou: Physik ist das, worum es bei all dem geht. Das Trägheitsmoment des Rades sagt Ihnen, wie viel Kraft (Drehmoment) Sie benötigen, um das Rad zu beschleunigen, aber nicht, wie viel Kraft Sie benötigen, um seine Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Lesen Sie den (Rolling Resistance Wiki-Artikel) [ en.wikipedia.org/wiki/Rolling_resistance] , das Trägheitsmoment wird nicht als Faktor aufgeführt.
@whatsisname Ich werde dich direkt fragen, was deiner Meinung nach passiert, wenn du fährst? Wird das Rad langsamer? Wenn ja, dann ist das ein Drehmoment gegen Sie. Treiben Sie Druck, um die Räder am Laufen zu halten? Es tut mir leid zu sagen, dass dieser Druck eine Kraft auf die Pedale ist, die ein Drehmoment auf die Räder ausübt. Sie haben den Rollwiderstand nachgeschlagen - ok, gut. Gleich im obersten Absatz steht, dass es „eine Kraft“ ist.
@whatsisname (Forts.) Wenn wir nun zum 3. Newtonschen Gesetz zurückkehren, werden wir uns daran erinnern, dass auf ein Objekt mit konstanter Geschwindigkeit Nettokräfte von Null wirken müssen. Wenn also Reibung eine Kraft ist, die das Durchdrehen des Rads verlangsamt, muss der Fahrer eine andere Kraft aufbringen, um eine konstante Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Klingt ungefähr richtig?
Dieser Kommentarzug hat sich weit über das hinaus erstreckt, was er haben sollte. Wenn Sie darüber weiter diskutieren möchten, gehen Sie zu Bicycles Chat .
Bitte verwenden Sie die Suchfunktion dieses Stacks. bicycles.stackexchange.com/questions/21237/… schlägt vor, dass allein die Luft in einem Reifen zwischen 7 und 16 Gramm wiegt, was einem einzigen Schluck Wasser entspricht. Das Gewicht der Luft ist im Vergleich zum Reifen/Schlauch/Felge unbedeutend.
Du hast Recht. Ich habe versucht zu verstehen, dass es nicht der Rollwiderstand ist, der dazu führt, dass es mehr Kraft kostet, diese Reifen zu schieben.
Kommentare sind nicht für längere Diskussionen gedacht; Diese Konversation wurde in den Chat verschoben .

Diese Frage ist verwirrend mit einigen falschen Angaben, aber ich werde Ihre "Asymmetrie der Kräfte" ausprobieren. Wenn Sie dies nicht mit "Asymmetrie der Kräfte" meinen, schlage ich vor, dass Sie dies klarstellen, da viele Menschen es satt haben, die Frage auf verschiedene Weise zu beantworten.

Am Gummi wird gearbeitet, um ihn zu verformen. Arbeit ist die integrale Kraft in Richtung der Arbeit. Arbeit und Wärme haben die gleiche Maßeinheit.

Ja Energieerhaltung gilt.

An der Vorderkante wird am Reifen Arbeit (Integral von fx ds) verrichtet, um ihn zu verschieben. Der Reifen ist nicht wie eine Feder, bei der die Arbeit an der Hinterkante zurückgegeben wird. Nahezu die gesamte Arbeit wird in Wärme umgesetzt (Reibung im Gummi). Wärme ist intensiver als man denkt – es braucht viel Arbeit, um Wärme zu erzeugen. Sie erhalten eine sehr kleine Rückfederung durch den Gummirücken am hinteren Ende. Die Wärme sammelt sich nicht nur als Temperatur an – die Wärme wird dann an die Atmosphäre abgegeben.

Die Verformung am vorderen Ende wirkt sich auch auf die Luft im Reifen aus. Am hinteren Ende arbeitet die Luft im Reifen daran, den Reifen wieder herauszudrücken. Der größte Teil dieser Arbeit wird zurückgegeben. Ein Teil dieser Arbeit an der Luft im Reifen wird in zufällige kinetische Energie (Temperatur) übersetzt, und das entspricht einer Arbeit, die nicht an der Hinterkante zurückgegeben wird. Das andere Problem gibt es am hinteren Ende, da die meisten dieser Arbeiten beim Zurückschieben nicht einmal gegen die Straße gehen, um den Reifen anzutreiben. Es ist Arbeit am Gummi und an der Atmosphäre.

Ein Reifen mit mehr Hubraum hat mehr Widerstand. Dieser Widerstand ist mehr Wärme. Es gibt Energieerhaltung.

Energie und Arbeit haben die gleichen Einheiten (Joule für SI), und Arbeit ist das Integral aus Kraft mal Weg entlang eines Weges. Arbeit und Energie sind sehr eng miteinander verbunden, da Arbeit eine Form von Energie ist, ebenso wie Wärme.

Bei konstanter Geschwindigkeit , sofortigem Gleichgewicht, hat das Trägheitsmoment tatsächlich keinen Einfluss auf die Pedalkraft . Kommt es jedoch zu Beschleunigungen , spielt das Trägheitsmoment eines fetten schweren Reifens eine große Rolle. Da Geschwindigkeitsänderungen auch und insbesondere bei den Eddy Merckx-Typen üblich sind, ist im Allgemeinen das Trägheitsmoment eines Fahrradreifens + Laufrads in Bezug auf die Pedalkraft von Bedeutung.

Warum erfordern dünne Reifen weniger Pedalkraft?
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