Znáte proces. Noha sešlápne pedál. Auto zastaví. Zdá se to být okamžité, téměř magické, ale ve skutečnosti je to čistá mechanika. Hlavní otázkou není, že to funguje, ale jak. Jak může lidská noha schopná vyvinout skromné úsilí vyvinout dostatečnou sílu, aby zastavila kovovou krabici vážící tisíce liber?
Odpověď spočívá v přenosu a násobení síly. Vaše noha tlačí na páku. Tato páka pohybuje kapalinou. Tato kapalina tlačí písty. Jednoduché, že? Vlastně ne. Systém spoléhá na dva různé fyzikální koncepty k překlenutí mezery mezi vaším lýtkovým svalem a brzdovými destičkami: páka a hydraulika.
Bez těchto zásad byste k zastavení sedanu potřebovali sílu kulturisty. Samotné brzdy využívají tření k upnutí rotorů. Pneumatiky využívají k přilnavosti asfaltu tření. Než se však ponoříme do třmenů a brzdových vedení, musíme se podívat na základní principy. A to páka a hydraulika. To jsou motory vaší brzdné síly.
Fyzika zastavení
Abyste pochopili mechaniku, musíte respektovat fyziku. Tři pilíře podporují celou architekturu brzdového systému: páka, hydraulika a tření. Zde budeme analyzovat první dva. Tření je výsledkem, nikoli hnací silou.
Pákový efekt je nejsnáze pochopitelný koncept. Představte si páčidlo. Dlouhá hřídel umožňuje zvednout těžký předmět s minimální námahou. Váš brzdový pedál funguje na stejném principu. Tohle je páka.
Při sešlápnutí pedálu působíte silou na jeden konec. Opěrný bod neboli páka je umístěna nejblíže hlavnímu válci. To vytváří mechanickou výhodu. Můžete stisknout silou 50 liber. Geometrie pedálu zajišťuje, že píst hlavního válce dostává výrazně větší sílu. Koeficient se liší v závislosti na autě, ale účinek je konzistentní. Síla vaší nohy se zvýší ještě předtím, než se dotkne brzdové kapaliny.
Hydraulika tuto zvýšenou sílu ještě znásobuje. Brzdová kapalina je nestlačitelná. Toto je klíčová vlastnost. Když vytlačíte tekutinu z jednoho konce uzavřeného systému, tlak se okamžitě přenese na druhý konec.
Pascalův zákon definuje toto chování. Tlak aplikovaný na uzavřenou tekutinu se přenáší rovnoměrně ve všech směrech. Ale tady dochází k násobení. Hlavní válec má malou plochu. Brzdové válce (nebo třmeny) mají velkou plochu.
Síla se rovná tlaku krát plocha. Pokud je tlak v celém systému konstantní, větší plocha má za následek větší sílu. Malý píst v hlavním válci tlačí kapalinu. Tato kapalina tlačí na větší píst u kola. Síla se násobí. Můžete začít se vstupní silou 200 liber. Píst třmenu může tlačit silou 800 liber nebo více, v závislosti na poměru.
Toto znásobení hydraulické síly je kritické. Bez ní by nebylo možné dosáhnout tření potřebného k zastavení auta pomocí samotné síly nohou. Systém funguje jako multiplikátor síly a přeměňuje mírné lidské úsilí na významnou brzdnou sílu.
Pneumatiky pak tuto hydraulickou sílu převádějí na skutečné zpomalení. Tření mezi destičkou a rotorem zpomaluje kolo. Tření mezi pneumatikou a vozovkou vůz zpomaluje. Ale kouzlo začíná pákou a tekutinou.
Páky jsou prvními zařízeními pro násobení síly v historii. Stisknete dlouhou ruku a krátká ruka zvedne těžký náklad dvojnásobnou silou, ačkoli urazí poloviční vzdálenost. Hydraulika funguje na stejném principu kompromisu. Obětujete vzdálenost, abyste získali větší točivý moment.
Tajnou přísadou je nestlačitelnost. Na rozdíl od vzduchu, který je stlačen pod tlakem, brzdová kapalina není stlačitelná. Tato vlastnost umožňuje, aby síla působící v jednom bodě byla přenesena přímo do jiného bodu prostřednictvím média, které neztrácí energii na deformaci. Ve většině brzdových systémů automobilů je tímto médiem olej.
Fyzika přenosu tekutin
Představte si dva skleněné válce uzavřené písty, naplněné olejem a spojené ohebnou hadicí. Zatlačte jeden píst dolů. Olej nemá kam jít, než na druhou stranu. Protože kapalina je nestlačitelná, téměř 100 % vstupní síly dosáhne druhého pístu.
Tento design je spolehlivý. Spojovací trubka nesmí být rovná. Může se otáčet kolem těla, ohýbat se kolem součástí zavěšení nebo se kroutit kroutícím momentem bez ztráty účinnosti. Trubka se může také větvit, což umožňuje, aby jeden hlavní válec poháněl více podřízených válců. Jedno čerpadlo – čtyři kola. Jen.
Výpočet hydraulického násobení
Násobení síly není kouzlo. Toto je geometrie. Jedná se totiž o poměr ploch pístů.
Zvažte hlavní válec s pístem o průměru 2 palce a podřízený válec s pístem o průměru 6 palců.
- Poloměr levého pístu: 1 palec
- ** Poloměr pravého pístu:** 3 palce
Plocha je rovna pí krát druhá mocnina poloměru ($\pi r^2$).
- Oblast levé strany: $\pi \krát 1^2 \přibližně 3,14 $ čtverečních palců
- Oblast pravé strany: $\pi \krát 3^2 \přibližně 28,26 $ čtverečních palců
Pravý píst je devětkrát větší než levý. Tento poměr 9:1 definuje vše. Aplikujte sílu 100 liber na malý píst a velký píst vytvoří sílu 900 liber.
Ale je tu nuance. Stále platí zákon zachování energie. Chcete-li zvednout zátěž 900 lb o 1 palec, musíte snížit píst 100 lb o 9 palců. Vyměníte zdvih pístu za sílu. To je důvod, proč mají brzdové pedály dlouhé páčky, než se vůbec dotknou hlavního válce. O zbytek se postará hydraulický systém.
Tření
Pochopení tření prostřednictvím hmoty
Tření je v podstatě odpor, který cítíte, když se snažíte pohybovat jedním povrchem proti druhému. Podívejte se na instalaci. Dva bloky. Vyrobeno ze stejného materiálu. Jeden z nich je mnohem těžší.
Na to, abyste zjistili, který blok bude pro buldozer těžší zvládnout, nepotřebujete diplom z fyziky. Vyhrává těžší blok. Ale proč?
Pojďme si obrázek přiblížit. Podívejte se zblízka na jeden blok a stůl pod ním.
Povrch bloku se může zdát plochý, ale při bližším prozkoumání je to krajina vrcholů a údolí. Když položíte tento blok na stůl, tyto mikroskopické výstupky se navzájem srazí. Některé z nich jsou dokonce tlakově svařované. Těžší bloky vyvíjejí větší tlak, stlačují povrchy těsněji a ztěžují jejich klouzání.
Různé materiály odolávají pohybu různě. Klouzání gumy po gumě je obtížnější než klouzání oceli po oceli. Tento odpor je určen součinitelem tření. Představuje poměr posuvné síly k hmotnosti předmětu.
Pokud je poměr 1,0, 100librový blok vyžaduje k pohybu 100 liber síly. 400 lb blok vyžaduje 400 lb. Pokud poměr klesne na 0,1, stejný 100librový blok vyžaduje pouze 10 liber síly. 400 lb blok vyžaduje 40 lb.
Síla potřebná k pohybu předmětu je přímo úměrná jeho hmotnosti. Tento princip je základem činnosti brzd a spojek. Podložka je přitlačena k rotujícímu kotouči. Větší tlak znamená větší brzdnou sílu.
Statické a dynamické tření
Přemístit předmět vyžaduje více úsilí, než jej udržet v pohybu. Když jsou povrchy vůči sobě nehybné, funguje statické tření. Jakmile začnou klouzat, přichází ke slovu dynamické tření. Dynamické tření je obvykle nižší.
Pneumatiky automobilů spoléhají na tento rozdíl. Pneumatiky poskytují maximální trakci, když kontaktní plocha přilne k vozovce, spíše než klouže. Smyk nebo hořící guma výrazně snižuje trakci. Vůz ztrácí trakci v okamžiku, kdy vstoupí do zóny dynamického tření.
Násobení hydraulické síly
Zvažte jednoduchý brzdový systém. Vzdálenost od pedálu k opěrnému bodu je čtyřikrát větší než vzdálenost od válce k opěrnému bodu. Toto spojení zvyšuje sílu pedálu čtyřikrát, než dosáhne válce.
Dále je průměr brzdového válce třikrát širší než průměr pedálového válce. Tím se úsilí znásobí devítinásobně. Kombinací páky a velikosti válce získáme násobitel síly 36x.
Aplikujte sílu 10 liber na pedál. Kolo je vystaveno tlaku 360 liber na brzdové destičky.
Problém netěsností
Tento jednoduchý systém má nevýhodu: netěsnosti. Pomalý únik způsobuje ztrátu tekutiny, dokud není dostatek k naplnění válce. Brzdy postupně selhávají. Vážnější únik je ještě horší. Jednou sešlápněte brzdy a veškerá kapalina vyteče. Okamžitě dojde k úplnému selhání.
Moderní hlavní brzdové válce tyto problémy řeší. Obsahují bezpečnostní prvky, které zabraňují úplné ztrátě tlaku. Abychom pochopili, jak fungují, je nutné se podívat na kombinované ventily a hydraulické principy. Další kroky v této řadě zahrnují bubnové brzdy, kotoučové brzdy, posilovače brzd a protiblokovací systémy.
