Warum führt ein Radschlupf beim Autofahren zum Kontrollverlust?

Denn Reibung ist Ihre Art zu steuern! (- und beim Bremsen und Beschleunigen.) Wie @MasonWheeler kommentiert:

Dies ist ein so wichtiges Prinzip, dass es einen speziellen Namen dafür gibt: Im spezifischen Kontext der Verwendung angewandter Reibung zur direkten Bewegung wird Reibung auch als Traktion bezeichnet .

Drehen / Lenken

Reibung bewirkt, dass Sie an einer Ecke nach links abbiegen: Sie drehen die Räder, wodurch die Reibung in die richtige Richtung gelenkt wird. Indem Sie Ihre Räder drehen, drehen Sie die Reibungsrichtung so, dass sie eine seitliche Komponente hat. Die Reibung drückt dann Ihre Räder allmählich zur Seite, was dazu führt, dass sich das gesamte Auto dreht.

Ohne Reibung ist diese Lenkung nicht möglich . Egal wie Sie Ihre Räder drehen, keine Kraft wird Sie seitwärts drücken und eine Kurve verursachen. Ohne Reibung driftet das Auto zufällig, je nachdem, wie die Oberfläche geneigt ist, unabhängig davon, was Sie tun und wie die Räder gedreht werden.

Bremsen und beschleunigen

Beschleunigen und Bremsen (negative Beschleunigung) erfordert etwas, von dem aus man sich nach vorne schieben oder an dem man sich festhalten kann. Dieses Etwas ist die Straße. Und Reibung ist der Druck und der Zug. Keine Reibung bedeutet kein Ziehen oder Drücken, und Bremsen und Beschleunigen wird unmöglich.

Reibung ist also sehr, sehr wichtig bei jeder Art von kontrollierter Bewegung von Fahrzeugen, die den Boden berühren. Auch beim Eislaufen hättest du keine Chance, wenn das Eis 100 % glatt wäre.

Es sollte jetzt leicht verständlich sein, dass es ein Problem ist, von der Haftreibung (kein Rutschen der Reifen) zur Gleitreibung (die Reifen rutschen und rutschen) zu wechseln, einfach weil die Gleitreibung geringer ist als die maximale Haftreibung.

Wenn Sie z. B. bremsen, ist Haftreibung besser, da diese höhere Werte erreichen kann als Gleitreibung und Sie somit effektiver stoppen kann.

Während der Fahrverhaltensunterschied mit Unterschieden zwischen Haft- und Gleitreibung zu tun hat, ist es nicht der Unterschied zwischen Haft- und Gleitreibungskoeffizient, der den Kontrollverlust erklärt, sondern die Richtung der Reibungskraft.

Wie andere erklärt haben, ist beim Rollen ohne Gleiten der Kontaktpunkt zwischen der Straße und dem Reifen stationär. Bei stationärer Reibung wird die Reibungskraft in die gewünschte Richtung gelenkt, um ein Gleiten zu verhindern. Wenn Sie die Räder Ihres Autos drehen, erfolgt die Vorwärtsbewegung in Rollrichtung, ohne dass der Kontaktpunkt gleitet, und die Haftreibungskraft ist größtenteils senkrecht zur Rollrichtung gerichtet und liefert die Zentripetalkraft, die erforderlich ist, um Ihr Auto um die Ecke zu bringen.

Aber sobald die Reifen auf der Straße zu rutschen beginnen, ist der Kontaktpunkt nicht mehr stationär. Und beim Gleiten an der Kontaktstelle ist die Gleitreibungskraft entgegen der Gleitrichtung gerichtet. Selbst wenn die Gesamtreibungskraft gleich bleibt, sorgt sie plötzlich nicht mehr für die Zentripetalbeschleunigung, die benötigt wird, um um die Kurve zu fahren, sondern bremst Ihr Auto linear ab. Das bedeutet, dass Sie langsamer von der Straße abkommen als in der Kurve, aber trotzdem in einem Graben landen.

Eine ähnliche Situation kann beim Bremsen bei starkem Seitenwind auftreten. Während Sie rollen, ohne zu rutschen, wirkt die stationäre Reibung der seitlichen Kraft des Windes entgegen, um ein Rutschen zu vermeiden. Wenn Sie jedoch Ihre Räder blockieren und ins Rutschen geraten, wirkt die kinetische Reibungskraft entgegen der Rutschrichtung, dh hauptsächlich rückwärts, und ohne Reibung, die ihr entgegenwirkt, kann der Wind Ihr Auto plötzlich auf eine andere Spur schieben.

Oder wenn Sie versuchen, einen Korken aus einer Flasche zu ziehen: Wenn es zu schwer ist, ihn gerade herauszuziehen, finden Sie es möglicherweise einfacher, ihn zu drehen. In dem Moment, in dem er sich zu drehen beginnt, wird selbst die geringste nach oben ausgeübte Kraft den Korken herausbewegen, da die meiste Reibung in der senkrechten Richtung stattfindet.

Auf Eis, da die Oberfläche so rutschig ist, kann es vorkommen, dass der Reifen immer etwas rutscht. Da sich der Reifen jetzt schneller dreht als für die Geschwindigkeit des Autos erforderlich, legt ein Punkt auf seinem Umfang eine größere Strecke zurück als das Auto. Mit anderen Worten, anstatt in Bezug auf den Boden stationär zu sein , bewegt sich der Kontaktpunkt.

Wie wirkt sich das nun auf die Kontrolle über das Auto aus?

Wenn Sie sich Diagramme der Reibung im Vergleich zur angewandten Kraft ansehen , werden Sie sehen, dass die Reibung mit der Kraft zunimmt, bis eine Bewegung auftritt. Dann fällt es plötzlich ab.

Um dies zu erklären, müssen Sie sich darüber im Klaren sein, dass, wenn Sie mehr Kraft auf ein Objekt anwenden und es keine Bewegung des Objekts gibt, die Reibungskraft mit der ausgeübten Kraft zunehmen muss: Wenn die beiden nicht gleich wären, würde das Objekt anfangen, sich zu bewegen , in Übereinstimmung mit den Newtonschen Bewegungsgesetzen. Sobald die Kraft einen bestimmten Punkt überschreitet, kann die Reibung ihr nicht mehr widerstehen und das Objekt beginnt sich zu bewegen. An diesem Punkt fällt die Reibungskraft dramatisch ab.

Sie können verstehen, warum, wenn Sie an all die kleinen Unvollkommenheiten der beiden Oberflächen (Objekt und Substrat) denken. Diese Unvollkommenheiten neigen dazu, ineinander zu greifen, wodurch verhindert wird, dass sich das Objekt bewegt. Sobald sich das Objekt bewegt, haben die Erhebungen keine Zeit mehr, in die Vertiefungen zu fallen; Stattdessen rutschen sie einfach über die Spitze. Daher nimmt die Reibung ab.

Was hat das alles mit einem Reifen zu tun? Sie müssen sich darüber im Klaren sein, dass der Kontaktpunkt zwischen Reifen und Straße in Bezug auf die Straße stationär ist. Der Kontaktpunkt ist von Moment zu Moment anders, aber jeder dieser Punkte ist stationär auf der Straße. Erst wenn das Rad blockiert oder durchrutscht, beginnt sich der Kontaktpunkt tatsächlich zu bewegen. An diesem Punkt verlieren Sie die Traktion.

Auf Eis sinkt also die Gleitreibung, da der Kontaktpunkt mit dem Eis nicht stationär ist, und Sie verlieren die Kontrolle über das Auto.

Wie alle Antworten erwähnt haben, ist der Grund für den Schlupf die Änderung des Reibungskoeffizienten von höher nach niedriger, wenn von statischer zu dynamischer Reibung übergegangen wird. Der Grund für das Schleudern und den Kontrollverlust besteht aus zwei Teilen:

Die Bewegungsphysik und das Übersteuern des Fahrers.

1- Reifen haben Laufflächen und Vertiefungen, die das Eis beeindrucken und eine flache, vorübergehende, mikroskopisch kleine Rille bilden, um Traktion und Lenkung auch bei eisigen Bedingungen zu unterstützen.
Sie tun dies durch schräge Rillen auf ihren Laufflächen, die sich so biegen, dass das Auto sanft in die Kurve geführt wird. Wenn der Reifen schneller als die Geschwindigkeit des Autos rutscht, schleift er diese Abdrücke und rutscht vom geraden Weg ab und verliert den Kontakt mit der Straße. Wenn der Skid anfährt, wird die Aufhängung, die sich unter den dynamischen Belastungen zusammengezogen hat, frei und dehnt sich plötzlich ruckartig aus, was zu weiterer Instabilität und einem Verlust der Autorität der Steuerung führt, wie z. B. beim Beginn wilder Kurven.
2- Der Fahrer, der nicht an ein neues reibungsarmes Regiment gewöhnt ist, denkt, dass er durch Übersteuern die Kontrolle wiedererlangen könnte, verschlimmert die Situation jedoch, indem er durch jeden kleinen Eindruck pflügt, den der Reifen hinterlassen hat, und eine schwache Traktion zerstört, die sich zu entwickeln beginnt.

Der beste Weg, die Kontrolle wiederzuerlangen, besteht darin, den Schwung des Autos auszunutzen, das Gaspedal sanft loszulassen und für einen Moment nicht zu lenken und das Auto eine gerade Spur halten zu lassen, dann, wenn die Traktion gewährleistet ist, sanft und vorsichtig zu lenken.

Der Kontrollverlust zu Beginn des Schleuderns ist auf die schnelle Änderung des Reibungskoeffizienten zwischen Reifenlauffläche und Fahrbahn von statisch zu dynamisch zurückzuführen. Der statische Reibungskoeffizient ist größer als der dynamische Reibungskoeffizient. Dieser sehr schnelle Abbau der Reibkraft erfordert vom Fahrer des Fahrzeugs insbesondere bei Richtungswechseln eine sehr schnelle Reaktion.

Als Faustregel gilt, nach dem Gas- und Bremspedal in die Fahrtrichtung des Fahrzeugs zu lenken, da dies die maximale Reifenprofilfläche zur Fahrbahn ergibt.
Wenn das Auto also nach links rutscht, lenken Sie nach links.

Im Allgemeinen kann bei einem geringeren Reibungskoeffizienten zwischen der Lauffläche des Reifens und der Straße weniger Kraft von der Straße auf das Auto ausgeübt werden, und daher wird die Fähigkeit des Fahrers, die Richtung und die Geschwindigkeit des Autos zu ändern, verringert.

Einfach ausgedrückt müssen Reifen mit zwei Arten von Kräften fertig werden. Zum einen Längskräfte (Bremsen und Beschleunigen) und zum anderen Seitenkräfte durch Kurvenfahrt.

Die Kurvenkräfte sind analog zur Spannung in einer gewichteten Schnur, die um Ihren Kopf geschwungen wird, und widersetzen sich der Tendenz des Autos, in einer geraden Linie weiterzufahren.

Die Räder eines Autos drehen sich leicht in eine Richtung (da sie sich auf Lagern drehen), bieten jedoch in jeder anderen Richtung eine hohe Reibung (Sie können ein Auto leicht vorwärts, aber nicht seitwärts schieben).

Um die Richtung eines Autos zu ändern, muss man seinen Impuls ändern und damit eine Kraft auf es ausüben. Dies wird erreicht, indem die Räder so gedreht werden, dass Sie ihre freie Drehrichtung relativ zur Fahrtrichtung ändern. Dadurch entsteht an der Kontaktfläche zwischen Reifen und Straße eine Reaktionskraft, die über die Seitenwände auf die Räder, die Aufhängung und die Hauptstruktur des Fahrzeugs übertragen wird.

Die Gesamtkraft, die ein Reifen aushalten kann, ist begrenzt und ist eine Kombination der auf ihn einwirkenden Quer- und Längskräfte. Wenn Sie also bremsen oder beschleunigen, „verbrauchen“ Sie einen Teil der verfügbaren Gesamtreibung.

Sobald ein Reifen zu rutschen beginnt, gibt es plötzlich viel weniger Reibungsunterschiede zwischen Rollen und Gleiten.

Sobald sich ein Rad tatsächlich dreht, hat es diese Grenze eindeutig überschritten. Bei Gummireifen ist der Gleitreibungskoeffizient viel kleiner als der Haftreibungskoeffizient (Rollreibung).

Wenn Sie die Räder beim Beschleunigen auf gerader Linie durchdrehen, verlieren Sie die Traktion, aber sonst passiert nicht viel, aber es gibt sehr wenig Widerstand gegen Seitenkräfte und so kann das durchdrehende Rad sehr leicht rutschen.

Wenn die Hinterräder die Traktion verlieren, tritt ein Aufseher auf und die Hinterräder rutschen von der Mitte des Kurvenradius weg (in Richtung der Außenseite der Kurve). Wenn dies nicht sofort korrigiert wird, kann dies zu einem vollständigen Kontrollverlust und einem Durchdrehen führen .

Wenn das Vorderrad die Traktion verliert , tritt Untersteuern auf, die Drehwirkung der Vorderräder wird stark reduziert, was dazu führt, dass das Auto geradeaus weiterfährt oder zumindest einem viel größeren Kurvenradius als beabsichtigt folgt.

Anders ausgedrückt: Sobald die Räder zu rutschen beginnen und damit die Reibung zur Fahrbahn verringern, haben Sie keine wirksame Möglichkeit mehr, den Schwung des Autos zu verändern. Entscheidend ist, dass der Gleitreibungskoeffizient eines Reifens viel kleiner ist als der Haftreibungskoeffizient.