Вы знаете этот процесс. Нога нажимает на педаль. Машина останавливается. Это кажется мгновенным, почти магическим, но на самом деле это чистая механика. Главный вопрос не в том, что это работает, а в том, как именно. Как человеческая нога, способная exert modest effort (оказать умеренное усилие), может создать достаточную силу, чтобы остановить металлический ящик весом в тысячи фунтов?
Ответ кроется в передаче и умножении силы. Ваша нога толкает рычаг. Этот рычаг перемещает жидкость. Эта жидкость толкает поршни. Просто, верно? Не совсем. Система опирается на две различные физические концепции, чтобы преодолеть разрыв между вашей икроножной мышцей и тормозными колодками: рычаг и гидравлика.
Без этих принципов вам потребовалась бы сила бодибилдера, чтобы остановить седан. Сами тормоза используют трение, чтобы зажать роторы. Шины используют трение, чтобы сцепиться с асфальтом. Но прежде чем мы углубимся в изучение суппортов и тормозных магистралей, нам нужно рассмотреть лежащие в основе принципы. А именно, рычаг и гидравлика. Это двигатели вашей тормозной мощности.
Физика остановки
Чтобы понять механику, нужно уважать физику. Три столпа поддерживают всю архитектуру тормозной системы: рычаг, гидравлика и трение. Здесь мы разберем первые два. Трение — это результат, а не движущая сила.
Рычаг — это самая простая концепция для понимания. Представьте лом. Длинный стержень позволяет поднять тяжелый объект с минимальными усилиями. Ваша тормозная педаль работает по тому же принципу. Это рычаг.
Когда вы нажимаете на педаль, вы прикладываете силу к одному концу. Точка опоры, или fulcrum (рычаг), расположена ближе к главному тормозному цилиндру. Это создает механическое преимущество. Вы можете нажать с усилием в 50 фунтов. Геометрия педали гарантирует, что поршень главного цилиндра получит значительно большую силу. Коэффициент варьируется в зависимости от автомобиля, но эффект постоянен. Сила вашей ноги усиливается еще до того, как она коснется тормозной жидкости.
Гидравлика умножает это усиленное усилие еще больше. Тормозная жидкость несжимаема. Это ключевое свойство. Когда вы толкаете жидкость с одного конца замкнутой системы, давление мгновенно передается на другой конец.
Закон Паскаля определяет это поведение. Давление, приложенное к замкнутой жидкости, передается одинаково во всех направлениях. Но именно здесь происходит умножение. Главный цилиндр имеет небольшую площадь поверхности. Тормозные цилиндры (или суппорты) имеют большую площадь поверхности.
Сила равна давлению, умноженному на площадь. Если давление постоянно по всей системе, большая площадь приводит к большей силе. Маленький поршень в главном цилиндре толкает жидкость. Эта жидкость давит на больший поршень у колеса. Сила умножается. Вы можете начать с входного усилия в 200 фунтов. Поршень суппорта может давить с усилием в 800 фунтов или больше, в зависимости от коэффициента.
Это гидравлическое умножение силы имеет решающее значение. Без него трение, необходимое для остановки автомобиля, было бы невозможно достичь только силой ноги. Система действует как множитель силы, превращая умеренные человеческие усилия в значительную тормозную мощность.
Затем шины преобразуют эту гидравлическую силу в фактическое замедление. Трение между колодкой и ротором замедляет колесо. Трение между шиной и дорогой замедляет автомобиль. Но магия начинается с рычага и жидкости.
Рычаги — это первые в истории устройства для умножения силы. Вы нажимаете на длинное плечо, а короткое плечо поднимает тяжелый груз с удвоенной силой, хотя и проходит вдвое меньший путь. Гидравлика работает по тому же принципу компромисса. Вы жертвуете расстоянием, чтобы получить больший крутящий момент.
Секретный ингредиент заключается в несжимаемости. В отличие от воздуха, который сжимается под давлением, тормозная жидкость не поддается сжатию. Это свойство позволяет силе, приложенной в одной точке, передаваться напрямую в другую точку через среду, которая не теряет энергию на деформацию. В большинстве автомобильных тормозных систем такой средой является масло.
Физика передачи жидкости
Представьте два стеклянных цилиндра, закрытых поршнями, заполненных маслом и соединенных гибким шлангом. Нажмите на один поршень вниз. Маслу некуда деваться, кроме как подняться вверх по другую сторону. Поскольку жидкость несжимаема, почти 100% входного усилия достигает второго поршня.
Эта конструкция надежна. Соединительная трубка не должна быть прямой. Она может извиваться по кузову, огибать компоненты подвески или скручиваться под действием крутящего момента, не теряя эффективности. Трубка также может разветвляться, позволяя одному главному цилиндру приводить в действие несколько рабочих цилиндров. Один насос — четыре колеса. Просто.
Расчет гидравлического умножения
Умножение силы — это не магия. Это геометрия. А именно, это отношение площадей поршней.
Рассмотрим главный цилиндр с поршнем диаметром 2 дюйма и рабочий цилиндр с поршнем диаметром 6 дюймов.
- Радиус левого поршня: 1 дюйм
- Радиус правого поршня: 3 дюйма
Площадь равна пи, умноженному на квадрат радиуса ($\pi r^2$).
- Площадь левой части: $\pi \times 1^2 \approx 3.14$ квадратных дюйма
- Площадь правой части: $\pi \times 3^2 \approx 28.26$ квадратных дюйма
Правый поршень в девять раз больше левого. Это соотношение 9:1 определяет все. Приложите усилие в 100 фунтов к маленькому поршню, и большой поршень создаст усилие в 900 фунтов.
Но есть нюанс. Закон сохранения энергии по-прежнему действует. Чтобы поднять груз весом 900 фунтов на 1 дюйм, вы должны опустить поршень весом 100 фунтов на 9 дюймов. Вы обмениваете ход поршня на усилие. Именно поэтому тормозные педали имеют длинные рычаги, прежде чем даже коснуться главного цилиндра. Остальное делает гидравлическая система.
Трение
Понимание трения через массу
Трение — это, по сути, сопротивление, которое вы ощущаете, пытаясь сдвинуть одну поверхность по другой. Посмотрите на установку. Два блока. Из одного материала. Один из них значительно тяжелее.
Вам не нужна степень по физике, чтобы догадаться, с каким блоком бульдозеру будет труднее справиться. Побеждает более тяжелый блок. Но почему?
Давайте приблизим изображение. Внимательно посмотрите на один блок и стол под ним.
Поверхность блока может выглядеть плоской, но при ближайшем рассмотрении это ландшафт из пиков и впадин. Когда вы кладете этот блок на стол, эти микроскопические выступы сталкиваются друг с другом. Некоторые из них даже свариваются под давлением. Более тяжелые блоки давят сильнее, плотнее сжимая поверхности и затрудняя их скольжение.
Разные материалы по-разному сопротивляются движению. Скольжение резины по резине сложнее, чем скольжение стали по стали. Это сопротивление определяется коэффициентом трения. Он представляет собой отношение силы скольжения к весу объекта.
Если коэффициент равен 1,0, блоку весом 100 фунтов требуется усилие в 100 фунтов для движения. Блоку весом 400 фунтов требуется 400 фунтов. Если коэффициент падает до 0,1, тому же блоку весом 100 фунтов требуется всего 10 фунтов усилия. Блоку весом 400 фунтов требуется 40 фунтов.
Сила, необходимая для перемещения объекта, прямо пропорциональна его весу. Этот принцип лежит в основе работы тормозов и сцеплений. Колодка прижимается к вращающемуся диску. Большее давление означает большую тормозную силу.
Статическое и динамическое трение
Чтобы сдвинуть объект с места, требуется больше усилий, чем для поддержания его движения. Когда поверхности неподвижны относительно друг друга, действует статическое трение. Как только они начинают скользить, вступает в силу динамическое трение. Динамическое трение обычно ниже.
Автомобильные шины полагаются на это различие. Шины обеспечивают максимальное сцепление, когда контактное пятно держится за дорогу, а не скользит. Буксование или жжение резины значительно снижает сцепление. Автомобиль теряет сцепление в тот момент, когда переходит в зону динамического трения.
Умножение гидравлического усилия
Рассмотрим простую тормозную систему. Расстояние от педали до точки опоры в четыре раза больше расстояния от цилиндра до точки опоры. Это рычажное усиление увеличивает усилие на педали в четыре раза, прежде чем оно достигнет цилиндра.
Далее, диаметр тормозного цилиндра в три раза шире диаметра цилиндра педали. Это умножает усилие в девять раз. Сочетая рычаг и размер цилиндров, мы получаем множитель усилия 36x.
Приложите 10 фунтов усилия к педали. Колесо получает 360 фунтов давления на тормозные колодки.
Проблема утечек
У этой простой системы есть недостаток: утечки. Медленная утечка приводит к потере жидкости до тех пор, пока ее не хватает для заполнения цилиндра. Тормоза выходят из строя постепенно. Более серьезная утечка еще хуже. Нажмите на тормоза один раз, и вся жидкость выльется наружу. Полный отказ происходит мгновенно.
Современные главные тормозные цилиндры решают эти проблемы. Они включают функции безопасности, предотвращающие полную потерю давления. Чтобы понять, как они работают, необходимо рассмотреть комбинированные клапаны и гидравлические принципы. Следующие шаги в этой серии охватывают барабанные тормоза, дисковые тормоза, тормоза с усилителем и антиблокировочные системы.
