Почему при вождении автомобиля проскальзывание колес приводит к потере управления?

Потому что трение — это ваш метод управления! (- и торможения и ускорения.) Как комментирует @MasonWheeler:

Это настолько важный принцип, что для него есть специальное название: в конкретном контексте использования приложенного трения для прямого движения трение также известно как тяга .

Поворот / рулевое управление

Трение — это то, что заставляет вас поворачивать налево на повороте: вы поворачиваете колеса, которые направляют трение в правильном направлении. На самом деле, поворачивая колеса, вы меняете направление трения так, что оно имеет боковую составляющую. Затем трение толкает ваши колеса вбок, и это приводит к тому, что вся машина поворачивается.

Без трения вы не сможете сделать это рулевое управление . Как бы вы ни поворачивали колеса, никакая сила не оттолкнет вас в сторону и не вызовет поворот. Без трения автомобиль беспорядочно дрейфует в зависимости от наклона поверхности, независимо от того, что вы делаете и как поворачиваются колеса.

Торможение и ускорение

Ускорение и торможение (отрицательное ускорение) требуют чего-то, от чего можно отталкиваться, или чего-то, за что можно держаться. Это что-то и есть дорога. А трение — это толчок и притяжение. Отсутствие трения означает отсутствие тяги или толчка, и торможение и ускорение становятся невозможными.

Таким образом, трение очень и очень важно в любом управляемом движении транспортных средств, которые соприкасаются с землей. Даже при катании на коньках у вас не было бы шансов, если бы лед был на 100% гладким.

Теперь должно быть легко понять, что переход от статического трения (отсутствие проскальзывания шин) к кинетическому трению (шины проскальзывают и скользят) является проблемой просто потому, что кинетическое трение ниже , чем максимальное статическое трение.

Например, если вы тормозите, лучше иметь статическое трение, потому что оно может достигать более высоких значений, чем кинетическое трение, и, таким образом, оно может остановить вас более эффективно.

Хотя разница в управляемости связана с разницей между статическим и кинетическим трением, не разница между статическим и кинетическим коэффициентами трения объясняет потерю контроля, а направление силы трения.

Как объясняли другие, при качении без скольжения точка контакта между дорогой и шиной остается неподвижной. При стационарном трении сила трения направлена ​​в любом направлении, необходимом для предотвращения скольжения. Когда вы поворачиваете колеса вашего автомобиля, движение вперед происходит в направлении качения без проскальзывания точки контакта, а сила статического трения в основном направлена ​​​​перпендикулярно направлению качения, обеспечивая центростремительную силу, необходимую для того, чтобы заставить ваш автомобиль проходить поворот.

Но в тот момент, когда шины начинают скользить по дороге, точка контакта перестает быть неподвижной. А при скольжении в точке контакта кинетическая сила трения направлена ​​против направления скольжения. Даже если общая сила трения остается прежней, внезапно она больше не обеспечивает центростремительное ускорение, необходимое для поворота, а вместо этого линейно замедляет вашу машину. Это означает, что вы сбегаете с дороги с меньшей скоростью, чем при повороте, но все равно оказываетесь в кювете.

Аналогичная ситуация может возникнуть при торможении при сильном боковом ветре. Пока вы катитесь без скольжения, стационарное трение противодействует боковой силе ветра, чтобы избежать скольжения. Но если вы заблокируете колеса и начнете скользить, кинетическая сила трения будет приложена против направления скольжения, то есть в основном назад, и без противодействующего трения ветер может внезапно вытолкнуть вашу машину на другую полосу.

Или при попытке вытащить пробку из бутылки: если вытащить ее слишком сложно, вам может быть проще заставить ее вращаться. В тот момент, когда она начинает вращаться, даже малейшая сила, приложенная вверх, заставит пробку выдвинуться, потому что большая часть трения происходит в перпендикулярном направлении.

На льду, поскольку поверхность очень скользкая, вы можете обнаружить, что шина всегда немного проскальзывает. Поскольку теперь шина вращается быстрее, чем необходимо для скорости автомобиля, точка на ее окружности будет преодолевать большее расстояние, чем автомобиль. Другими словами, вместо того, чтобы оставаться неподвижным относительно земли , точка контакта движется.

Как это влияет на управляемость автомобиля?

Если вы посмотрите на графики зависимости трения от приложенной силы , вы увидите, что трение увеличивается с увеличением силы, пока не произойдет движение. Потом вдруг падает.

Чтобы объяснить это, вам нужно понять, что по мере того, как вы прикладываете больше силы к объекту, а объект не движется, сила трения должна увеличиваться с приложенной силой: если бы они не были равны, объект начал бы двигаться. , в соответствии с законами движения Ньютона. Как только сила достигает определенной точки, трение больше не может сопротивляться ей, и объект начинает двигаться. В этот момент сила трения резко падает.

Вы можете понять почему, если подумаете обо всех мелких недостатках двух поверхностей (объекта и подложки). Эти несовершенства имеют тенденцию сцепляться друг с другом, препятствуя движению объекта. Как только объект движется, выпуклости уже не успевают попасть в углубления; вместо этого они просто скользят сверху. Следовательно, трение уменьшается.

Какое отношение все это имеет к шине? Вы должны понимать, что точка контакта шины с дорогой неподвижна по отношению к дороге. Точка контакта меняется от момента к моменту, но каждая такая точка неподвижна на дороге. Только когда колесо блокируется или проскальзывает, точка контакта начинает двигаться. В этот момент вы теряете тягу.

Таким образом, на льду, поскольку точка контакта со льдом не является стационарной, трение скольжения уменьшается, и вы теряете контроль над автомобилем.

Как упоминалось во всех ответах, причиной проскальзывания является изменение формы коэффициента трения с более высокой на более низкую при переходе от статического к динамическому трению. Причина заноса и потери управления состоит из двух частей:

Физика движения и водительское переруливание.

1- Шины имеют протекторы и углубления, предназначенные для того, чтобы впечатывать лед и образовывать неглубокую временную микроскопическую бороздку, чтобы улучшить сцепление и управляемость даже в условиях гололеда.
Они делают это за счет наклонных канавок на гусеницах, которые изгибаются таким образом, чтобы автомобиль плавно входил в поворот. Когда шина скользит быстрее, чем скорость автомобиля, она стирает эти отпечатки, скользит по прямой и теряет контакт с дорогой. Когда начинается занос, подвеска, сжатая под динамическими нагрузками, освобождается и внезапно расширяется рывком, вызывая дальнейшую нестабильность и потерю контроля, например, начало резких поворотов.
2- Водитель, не привыкший к новому режиму с низким коэффициентом трения, думает, что с помощью чрезмерного рулевого управления он сможет восстановить контроль, но усугубляет ситуацию, продираясь через любой небольшой отпечаток, который шина стабилизировала, и разрушая слабое сцепление с дорогой, начинающее развиваться.

Лучший способ восстановить контроль — воспользоваться инерцией автомобиля, плавно отпустить педаль акселератора и не рулить моментально, а дать автомобилю стабилизироваться на прямом пути, а затем, когда сцепление с дорогой будет уверенным, рулить мягко и осторожно.

Потеря управления в начале заноса связана с быстрым изменением коэффициента трения между протектором шины и дорогой от статического к динамическому. Коэффициент статического трения больше, чем коэффициент динамического трения. Это очень быстрое уменьшение силы трения требует от водителя транспортного средства очень быстрой реакции, особенно при изменении направления.

Эмпирическое правило заключается в том, что после нажатия педали акселератора и тормоза рулите в направлении, в котором движется автомобиль, так как это создает максимальную площадь протектора шины с дорогой.
Так что, если машину заносит влево, рулите влево.

В целом, если коэффициент трения между протектором шины и дорогой ниже, дорога может воздействовать на автомобиль с меньшей силой, и, следовательно, снижается способность водителя изменять направление и скорость автомобиля.

Проще говоря, шины должны иметь дело с двумя типами силы. Первыми являются продольные силы (торможение и ускорение), а вторыми - боковые силы, вызванные прохождением поворотов.

Поворотные силы аналогичны натяжению утяжеленной струны, обмотанной вокруг вашей головы, и противодействуют стремлению автомобиля продолжать движение по прямой.

Колеса автомобиля легко вращаются в одном направлении (поскольку они вращаются на подшипниках), но обеспечивают высокое трение в любом другом направлении (вы можете легко толкать автомобиль вперед, но не вбок).

Я приказываю изменить направление движения автомобиля, вам нужно изменить его импульс и тем самым воздействовать на него силой. Это достигается путем поворота колес таким образом, что вы меняете направление их свободного вращения относительно направления движения. Это создает силу реакции на поверхности контакта между шиной и дорогой, которая передается через боковые стенки на колеса, подвеску и основную конструкцию автомобиля.

Общая сила, которую может выдержать шина, ограничена и представляет собой комбинацию боковых и продольных сил, действующих на нее, поэтому, если вы тормозите или ускоряетесь, вы «используете» часть общего доступного трения.

Таким образом, как только шина начинает проскальзывать, разница в трении между качением и скольжением внезапно становится намного меньше.

Ясно, что когда колесо действительно вращается, оно выходит за этот предел. В случае резиновых шин коэффициент трения скольжения намного меньше, чем коэффициент трения покоя (качения).

Если вы вращаете колеса при ускорении по прямой, вы теряете сцепление с дорогой, но больше ничего не происходит, однако сопротивление любым боковым силам очень мало, и поэтому вращающееся колесо может очень легко скользить.

Если задние колеса теряют сцепление с дорогой, происходит оверсайр, и задние колеса соскальзывают с центра радиуса поворота (к внешней стороне поворота). Если это не исправить немедленно, это может привести к полной потере управления и пробуксовке. .

Если переднее колесо теряет сцепление с дорогой, возникает недостаточная поворачиваемость , эффект поворота передних колес будет значительно уменьшен, в результате чего автомобиль будет продолжать движение прямо или, по крайней мере, будет выполнять поворот с гораздо большим радиусом, чем предполагалось.

Иными словами, когда колеса начинают скользить и, таким образом, уменьшают трение о поверхность дороги, у вас больше нет эффективного способа изменить импульс автомобиля. Важно то, что коэффициент трения скольжения шины намного меньше коэффициента статического трения.