Почему низкое давление в шинах увеличивает трение?

Более низкое давление увеличивает поверхностный контакт и увеличивает статическое трение, а статическое трение не приводит к потерям тепла, так что это хорошо. Но трение качения нехорошо и связано с потерей тепла.

Нагрев от трения качения происходит из-за неупругой деформации, которую испытывает резина шины при контакте с дорогой. См. эту статью о сопротивлении качению из Википедии: https://en.wikipedia.org/wiki/Rolling_resistance.

Когда резина соприкасается с дорогой, за каждый оборот она сжимается, затем расширяется при отрыве от поверхности. Сжатие и расширение не являются абсолютно упругими, поэтому происходит потеря тепла в виде трения. Чем ниже давление в шинах, тем больше резины соприкасается с дорогой за каждый оборот, и тем больше потери тепла на трение. Эти повышенные тепловые потери приводят к снижению экономии топлива.

Надеюсь это поможет.

Статическое трение на самом деле не снижает расход топлива. Без него ваши колеса будут скользить, так что это хорошо.

Что вызывает потерю экономии топлива, так это сопротивление качению. Это происходит из-за гистерезиса; потери энергии из-за циклической деформации шины при качении.

Это не очень удачная аналогия, но представьте частично накачанную шину в виде диска с осью, смещенной от центра. При вращении ось будет колебаться вверх и вниз, т.е. теряется некоторая энергия из-за того, что она может способствовать движению вперед.

В вашем случае ось не качается вверх и вниз, но энергия теряется на изменение формы выпуклости с одной стороны на выпуклость с другой с каждым полуоборотом.

У меня немного другая интуиция на этот счет, чем у других ответов, которые могут помочь.

Представьте, что вы едете на скейтборде или роликовых коньках (с очень жесткими колесами) по мягкой резиновой поверхности. В этом случае деформируется не колесо, а поверхность:

Поверхность раздела колесо/поверхность деформируется ровно на ту величину, где нагрузка на колесо уравновешивается направленной вверх силой поверхности.

Теперь, чтобы ваше колесо продвинулось на следующий шаг, оно должно двигаться «в гору», чтобы выбраться из вмятины, которую оно оставило на поверхности. Вы можете думать о продвижении колеса как о серии «подъемов» из провала, после чего поверхность снова сжимается вертикально под весом. Конечно, в реальности ваш прогресс будет происходить не так, вы будете толкать зону сжатой резины перед колесом, но результат тот же. Если вы когда-нибудь пробовали кататься на скейтборде по траве или толкать коляску на пляже, вы сталкивались с этой проблемой.

Для автомобиля (и большинства других интерфейсов колесо/поверхность) колесо мягче, чем поверхность, поэтому деформируется колесо, а не поверхность:

Вот почему для велосипедов гораздо эффективнее иметь колеса большего диаметра; плоскость на дне колеса может быть сколь угодно большой, но угол между плоскостью и следующим миллиметром шины будет соответственно меньше, чем больше колесо:

Оба этих круга соприкасаются с черной линией плоским пятном одинакового размера, но красный круг деформирован из-за того, что он был кругом, гораздо больше, чем синий.

Кроме того, «холм», на который поднимается меньшее колесо, намного круче, чем у большего колеса, как показано углами A и B.

Наконец, я думаю, что немного абстрактно думать о расходе топлива. Вы только представьте, насколько сложнее было бы 1) Ехать на велосипеде со спущенными шинами, 2) Толкать машину со спущенными шинами. Энергии потребовалось бы больше. В вашем автомобиле энергия поступает из вашего бензобака, поэтому вы получаете меньший показатель расхода топлива, когда ваши шины недостаточно накачаны.

При использовании пневматических шин «трение качения» представляет собой усилие, необходимое для непрерывного изменения формы шины. Чем ниже давление в шине, тем больше ее деформация при качении, и, следовательно, тем больше работы потребуется для достижения такой деформации. Если бы кто-то накачивал шины настолько, чтобы они едва деформировались при качении, это трение значительно уменьшилось бы (таким образом улучшив экономию топлива), но были бы принесены в жертву преимущества производительности и управляемости пневматических шин.

Если бы кто-то вел машину с абсолютно жесткими колесами, то каждая маленькая неровность дорожного покрытия вызывала бы увеличение силы между колесом и землей, когда автомобиль наезжает на неровность, а затем уменьшалась бы, как только колесо заканчивалось. Поскольку тормозная сила ограничена тормозами, а также тягой, мгновенное увеличение тяги не улучшит ее, но кратковременное уменьшение тяги уменьшит ее. Пневматические шины минимизируют эту проблему, потому что площадь контакта может постоянно изменяться, чтобы свести к минимуму увеличение силы при наезде на неровность и, следовательно, неизбежное снижение силы после этого.

Причина, по которой давление в шинах указывается на транспортных средствах, а не в шинах, заключается в том, что величина давления, необходимая для ограничения деформации до оптимального уровня, будет варьироваться в зависимости от веса транспортного средства. В идеале шины должны иметь таблицу рекомендуемого давления накачки в зависимости от веса транспортного средства, но большинство транспортных средств предназначены для использования с относительно узким диапазоном размеров шин, и шины данного размера, как правило, имеют аналогичные рекомендации по накачиванию. Точное оптимальное давление для шин разных производителей не будет одинаковым, но большинство шин будут работать достаточно хорошо в достаточно большом диапазоне давлений, так что давление, выбранное для типичной шины, обычно работает достаточно хорошо, даже если не совсем оптимально. -для других шин аналогичного размера.

Трение, не зависящее от площади поверхности, применимо только к гладким поверхностям. Дороги неровные: шина постоянно деформируется из-за неровностей дороги. Вы можете увидеть это в режиме реального времени, если в вашем автомобиле есть достаточно чувствительный датчик расхода топлива: при прочих равных, чем неровнее дорога, тем хуже расход топлива.

Для практической демонстрации рассмотрим две крайности: высокое сопротивление качению широких шин низкого давления, используемых внедорожниками (и подражателями), и очень низкое сопротивление качению негибкого стального колеса на стальных рельсах поездов.

Улица движется с постоянной линейной скоростью под шиной, но внешняя часть шины движется с постоянной угловой скоростью. Чем больше шина соприкасается с дорогой в один момент времени, тем больше возникает несоответствие между движущимися частями шины и движущейся дорогой. Это несоответствие в некоторой степени устраняется стиранием. Это приводит к потере энергии и материала.