Ви знаєте цей процес. Нога натискає на педаль. Машина зупиняється. Це здається миттєвим, майже магічним, але насправді це чиста механіка. Головне питання не в тому, що це працює, а в тому, як саме. Як людська нога, здатна exert modest effort (надати помірне зусилля), може створити достатню силу, щоб зупинити металеву скриньку вагою тисячі фунтів?
Відповідь криється у передачі та множенні сили. Ваша нога штовхає важіль. Цей важіль переміщує рідину. Ця рідина штовхає поршні. Просто, правда? Не зовсім. Система спирається на дві різні фізичні концепції, щоб подолати розрив між вашим литковим м’язом і гальмівними колодками: важіль та гідравліка.
Без цих принципів вам знадобилася б сила бодібілдера, щоб зупинити седан. Самі гальма використовують тертя, щоб затиснути ротори. Шини використовують тертя, щоб зчепитися із асфальтом. Але перш ніж ми заглибимося у вивчення супортів і гальмівних магістралей, нам потрібно розглянути принципи, що лежать в основі. А саме, важіль та гідравліка. Це двигуни вашої гальмівної потужності.
Фізика зупинки
Щоб зрозуміти механіку, треба шанувати фізику. Три стовпи підтримують всю архітектуру гальмівної системи: важіль, гідравліка та тертя. Тут ми розберемо перші дві. Тертя – це результат, а не рушійна сила.
Важіль – це найпростіша концепція для розуміння. Уявіть брухт. Довгий стрижень дозволяє підняти важкий об’єкт із мінімальними зусиллями. Ваша гальмівна педаль працює за тим же принципом. Це важіль.
Коли ви натискаєте на педаль, ви докладаєте силу до одного кінця. Точка опори, або fulcrum (важіль), розташована ближче до головного гальмівного циліндра. Це створює механічну перевагу. Ви можете натиснути на 50 фунтів. Геометрія педалі гарантує, що поршень головного циліндра набуде значно більшої сили. Коефіцієнт варіюється в залежності від автомобіля, але ефект постійний. Сила вашої ноги посилюється ще до того, як вона торкнеться гальмівної рідини.
Гідравліка множить це посилене зусилля ще більше. Гальмівна рідина стислива. Це ключове властивість. Коли ви штовхаєте рідину з одного кінця замкнутої системи, тиск миттєво передається на інший кінець.
Закон Паскаля визначає цю поведінку. Тиск, прикладений до замкнутої рідини, передається однаково в усіх напрямках. Але саме тут відбувається множення. Головний циліндр має невелику площу поверхні. Гальмівні циліндри (або супорти) мають велику площу поверхні.
Сила дорівнює тиску, помноженому на площу. Якщо тиск постійно по всій системі, то велика площа призводить до більшої сили. Маленький поршень у головному циліндрі штовхає рідину. Ця рідина тисне на більший поршень у колеса. Сила множиться. Ви можете почати з вхідного зусилля 200 фунтів. Поршень супорта може тиснути з зусиллям 800 фунтів або більше, залежно від коефіцієнта.
Це гідравлічне множення сили має вирішальне значення. Без нього тертя, необхідне зупинки автомобіля, було неможливо досягти лише силою ноги. Система діє як множник сили, перетворюючи помірні людські зусилля на значну гальмівну потужність.
Потім шини перетворять цю гідравлічну силу на фактичне уповільнення. Тертя між колодкою та ротором уповільнює колесо. Тертя між шиною та дорогою сповільнює автомобіль. Але магія починається з важеля та рідини.
Важелі – це перші в історії пристрої для множення сили. Ви натискаєте на довге плече, а коротке плече піднімає важкий вантаж із подвоєною силою, хоча й проходить вдвічі менший шлях. Гідравліка працює за тим самим принципом компромісу. Ви жертвуєте відстанню, щоб отримати більший момент, що крутить.
Секретний інгредієнт полягає у несжиманості. На відміну від повітря, що стискується під тиском, гальмівна рідина не піддається стиску. Ця властивість дозволяє силі, яка прикладена в одній точці, передаватися безпосередньо в іншу точку через середовище, яке не втрачає енергію на деформацію. У більшості автомобільних гальмівних систем таким середовищем є олія.
Фізика передачі рідини
Уявіть два скляні циліндри, закриті поршнями, заповнені маслом і з’єднані гнучким шлангом. Натисніть один поршень вниз. Олії нікуди подітися, окрім як піднятися вгору з іншого боку. Оскільки рідина несжимаема, майже 100% вхідного зусилля досягає другого поршня.
Ця конструкція надійна. Сполучна трубка не повинна бути прямою. Вона може звиватися по кузову, обгинати компоненти підвіски або скручуватися під дією моменту, що крутить, не втрачаючи ефективності. Трубка може розгалужуватися, дозволяючи одному головному циліндру приводити в дію кілька робочих циліндрів. Один насос – чотири колеса. Просто.
Розрахунок гідравлічного множення
Примноження сили – це не магія. Це геометрія. А саме, це ставлення площ поршнів.
Розглянемо головний циліндр із поршнем діаметром 2 дюйми та робочий циліндр із поршнем діаметром 6 дюймів.
- Радіус лівого поршня: 1 дюйм
- Радіус правого поршня: 3 дюйми
Площа дорівнює пі, помноженому на квадрат радіусу ($pi r^2$).
- Площа лівої частини: $\pi \times 1^2 \approx 3.14$ квадратних дюйма
- Площа правої частини: $\pi \times 3^2 \approx 28.26$ квадратних дюйма
Правий поршень у дев’ять разів більший за лівий. Це співвідношення 9:1 визначає все. Докладіть зусилля 100 фунтів до маленького поршня, і великий поршень створить зусилля 900 фунтів.
Але є нюанс. Закон збереження енергії, як і раніше, діє. Щоб підняти вантаж вагою 900 фунтів на 1 дюйм, ви повинні опустити поршень вагою 100 фунтів на 9 дюймів. Ви обмінюєте перебіг поршня на зусилля. Саме тому гальмівні педалі мають довгі важелі, перш ніж навіть торкнутися головного циліндра. Решту робить гідравлічна система.
Тертя
Розуміння тертя через масу
Тертя – це, по суті, опір, який ви відчуваєте, намагаючись зрушити одну поверхню по іншій. Подивіться на встановлення. Два блоки. З одного матеріалу. Один із них значно важчий.
Вам не потрібна ступінь фізики, щоб здогадатися, з яким блоком бульдозеру буде важче впоратися. Перемагає важчий блок. Але чому?
Давайте наблизимо зображення. Уважно подивіться один блок і стіл під ним.
Поверхня блоку може виглядати плоскою, але при найближчому розгляді це ландшафт з піків та западин. Коли ви кладете цей блок на стіл, ці мікроскопічні виступи стикаються один з одним. Деякі навіть зварюються під тиском. Тяжкі блоки тиснуть сильніше, щільніше стискаючи поверхні і утруднюючи їх ковзання.
Різні матеріали по-різному пручаються руху. Ковзання гуми по гумі складніше, ніж ковзання сталі сталі. Цей опір визначається коефіцієнтом тертя. Він є відношенням сили ковзання до ваги об’єкта.
Якщо коефіцієнт дорівнює 1,0, блоку вагою 100 фунтів потрібно зусилля 100 фунтів для руху. Блоку вагою 400 фунтів потрібно 400 фунтів. Якщо коефіцієнт падає до 0,1, тому блоку вагою 100 фунтів потрібно всього 10 фунтів зусилля. Блоку вагою 400 фунтів потрібно 40 фунтів.
Сила, необхідна для переміщення об’єкта, прямо пропорційна його вазі. Цей принцип лежить в основі роботи гальм та зчеплень. Колодка притискається до диска, що обертається. Більший тиск означає більшу гальмівну силу.
Статичне та динамічне тертя
Щоб зрушити об’єкт з місця, потрібно більше зусиль, ніж підтримки його руху. Коли поверхні нерухомі щодо один одного, діє статичне тертя. Як тільки вони починають ковзати, набирає чинності “динамічний тертя”. Динамічне тертя зазвичай нижче.
Автомобільні шини покладаються на цю різницю. Шини забезпечують максимальне зчеплення, коли контактна пляма тримається за дорогу, а не ковзає. Буксування або печіння гуми значно знижує зчеплення. Автомобіль втрачає зчеплення у той момент, коли переходить у зону динамічного тертя.
Помноження гідравлічного зусилля
Розглянемо просту гальмівну систему. Відстань від педалі до точки опори вчетверо більше відстані від циліндра до точки опори. Це підвищення важеля збільшує зусилля на педалі в чотири рази, перш ніж воно досягне циліндра.
Далі, діаметр гальмівного циліндра втричі ширший за діаметр циліндра педалі. Це збільшує зусилля у дев’ять разів. Поєднуючи важіль та розмір циліндрів, ми отримуємо множник зусилля 36x.
Докладіть 10 фунтів зусилля до педалі. Колесо отримує 360 фунтів тиску на гальмівні колодки.
Проблема витоків
Ця проста система має недолік: витоку. Повільний витік призводить до втрати рідини доти, доки її не вистачає для заповнення циліндра. Гальма виходять з ладу поступово. Більш серйозний витік ще гірший. Натисніть на гальма один раз, і вся рідина виллється назовні. Повна відмова відбувається миттєво.
Сучасні головні гальмівні циліндри вирішують ці проблеми. Вони включають функції безпеки, що запобігають повній втраті тиску. Щоб зрозуміти, як вони працюють, необхідно розглянути комбіновані клапани та гідравлічні принципи. Наступні кроки в цій серії охоплюють барабанні гальма, дискові гальма, гальма з підсилювачем та антиблокувальні системи.
