Почему тонкие шины требуют меньшего усилия на педали?

Всем известно (нужна цитата), что (при фиксированном диаметре обода) шины меньшего сечения требуют меньших усилий для перемещения (по крайней мере, на дороге с твердым покрытием).

тл; ДР. Почему?

Немного контекста.

Я всегда думал, что это явление связано с размером пятна контакта каждой шины с дорогой. Примечательно, что площадь этого пятна уменьшается при уменьшении поперечного сечения шины. [Это предполагает, что шина с меньшим поперечным сечением будет иметь более высокое минимальное давление, что в целом верно] . Трение пропорционально площади контакта QED.

Однако недавно я считал, что трение (как известно почти всем) будет создавать крутящий момент, заставляющий колесо вращаться быстрее [примечание 1] . Поэтому мне пришлось придумать альтернативное объяснение. Моя лучшая попытка это. Если шина A имеет меньшее поперечное сечение, чем шина B, шина A будет иметь более высокое давление производителя, чем шина B, и, следовательно, будет меньше подвержена деформации. С точки зрения сохранения энергии, постоянная деформация шинытребует изрядного количества энергии, и именно здесь уходит наша драгоценная кинетическая энергия, когда мы перестаем крутить педали и наши дорогие игрушки (или, в моем случае, недорогие игрушки) останавливаются. Таким образом, шина A потребляет меньше энергии, чем шина B, и, следовательно, требует меньших усилий. Как мы можем выразить это в терминах сил? Должна быть асимметрия сил вблизи точки контакта, вызывающая крутящий момент, замедляющий вращение колеса. Можете ли вы описать эту асимметрию?

[Примечание 1. Трение — это сила, приложенная к пятну контакта с направлением, противоположным направлению движения. Следовательно, трение создает крутящий момент, который вращает колесо быстрее. Например, при отсутствии какого-либо трения колесо будет плавно скользить без качения.]

[РЕДАКТИРОВАТЬ. Прошу прощения за корявую формулировку вопроса. Я отредактировал, чтобы добавить пояснения, где это необходимо. Я решил добавить текст, а не удалить его, потому что в противном случае некоторые комментарии выглядели бы неуместно]

Что вы подразумеваете под «трением [...] создаст крутящий момент, который заставит колесо вращаться быстрее »? Не могли бы вы подробнее рассказать о том, что вы имеете в виду?
Ваше первое утверждение неверно, потому что при одинаковом (!) давлении 28-миллиметровая шина имеет меньшее пятно контакта, чем 23-миллиметровая, поэтому для равной скорости требуется меньшая мощность и дается большая скорость при равной мощности. Но поскольку многие большие шины работают при несколько более низком давлении, для большего комфорта сопротивление качению увеличивается.
@Carel Равное давление имеет равный контакт. P/SI X SI = P
Я был бы очень удивлен, если бы на этот вопрос еще не было ответа здесь. Вы искали один?
Узкие шины, как правило, имеют более тонкие и менее узловатые протекторы, а узловатые протекторы сильно снижают мощность.
@Carel Какова цель направления меня по этой ссылке? В нем говорится: «При одинаковом давлении накачки широкая и узкая шины имеют одинаковую площадь контакта. Широкая шина сплющена по ширине, тогда как узкая шина имеет более тонкую, но более длинную площадь контакта».
Это объясняет взаимосвязь между сопротивлением качению, шириной шины и давлением.
@Carel Круто, но я не задаю вопрос
@astabada это было бы лучше на <a href=" physics.stackexchange.com/">Physics SE</a> или <a href=" chemistry.stackexchange.com/">Chemistry SE</a>, если хотите научный или надежный ответ
@Carel Самый полезный ответ/комментарий на данный момент, спасибо.

Ответы (5)

Ваше вступительное заявление:

Всем известно (нужна цитата), что (при фиксированном диаметре обода) шины меньшего сечения требуют меньших усилий для перемещения (по крайней мере, на дороге с твердым покрытием).

На самом деле не соответствует действительности . Ваше следующее утверждение тоже не соответствует действительности. Площадь пятна контакта для шины будет почти одинаковой независимо от ширины используемой шины для данного давления. Если у меня есть шина, накачанная до 100 фунтов на квадратный дюйм, а велосипед и я весим 200 фунтов, пятно контакта между обоими колесами будет около 2 квадратных дюймов. Давление — это сила, деленная на площадь.

Ваше третье утверждение также неверно, так как статическое трение примерно пропорционально только нормальной силе, и это даже не имеет значения, поскольку, когда пятно контакта касается земли, оно даже не движется !

Изменяя ширину шины, в то время как площадь контакта остается постоянной, форма меняется, в частности, пятно становится короче, когда шина становится шире. Это приводит к меньшему вертикальному смещению резины в шине при качении колеса. Ответ Росса Милликанса описывает, что прогиб резины является основным источником сопротивления качению, связанного с шиной.

Получается, что при фиксированном давлении более широкие шины имеют меньшее сопротивление качению, чем узкие.

Ключевым элементом является не ширина шины, а более высокое давление. Гораздо проще изготовить маленькую шину высокого давления, чем широкую, при разумном весе и стоимости. Кроме того, поскольку изготовление широкой шины высокого давления является более сложной задачей, могут потребоваться такие меры, как более толстые протекторы, которые увеличивают затраты энергии на прогиб шины, так что это является чистым минусом по сравнению с большим прогибом программной резины и так далее.

Я даже не собираюсь обсуждать вашу теорию крутящего момента, потому что вы явно не понимаете действующих сил.

Я даже не собираюсь обсуждать вашу теорию крутящего момента, потому что вы явно не понимаете действующих сил. Не могли бы вы рассказать об этом подробнее, если бы я сказал «пожалуйста»?
Давай с самого начала задавался вопрос: «Если шина A имеет меньшее поперечное сечение, чем шина B, шина A будет иметь более высокое давление производителя, чем шина B, и, следовательно, будет меньше подвержена деформации». В ОП четко говорится, что шина высокого давления меньше деформируется, «поэтому она меньше подвержена деформации». Вопрос касается асимметрии сил, и этот ответ ничего не решает.
Что касается большой шины высокого давления - это борт и корпус, которые держат давление, а не резина. Сила - это давление, умноженное на объем. Ни обод, ни борт не могли справиться с большой шиной высокого давления. И нет смысла в большой шине высокого давления.
@Frisbee: для сосуда под давлением большего размера требуется более прочный или толстый материал, т.е. вам понадобится больше резины. См. вики-страницу. Вам придется решить все, чтобы сделать толстую шину высокого давления.
Материал - не резина. Резина - ужасный материал для сдерживания силы при растяжении (например, воздушный шар). Мой комментарий был очень ясным, что «это борт и корпус держат давление, а не резина». Изношенная до корда шина все еще прекрасно держит давление. И опять же, нет смысла в больших шинах высокого давления.

Потери на трение при деформации резины шины. Когда вы изгибаете шину из круглой (когда она не находится на земле) в плоскую (когда она касается земли), выделяется тепло. Если шина уже, а давление выше, меньше резины участвует в изгибе. Это правда, что более высокое давление означает меньшее пятно контакта, но здесь это не важно. Это аргумент энергии, а не крутящего момента.

Если вы хотите поговорить о крутящих моментах, я не понимаю, почему вы думаете, что трение должно ускорять колесо. Я бы сказал, что та часть шины, которая только что вступает в контакт, создает тормозящий крутящий момент, а часть, выходящая из контакта, создает ускоряющий крутящий момент. Оба крутящих момента уменьшаются, потому что (почти вертикальная) линия действия проходит почти по радиусу колеса. Тормозящий момент больше из-за упомянутых выше потерь. Это действительно то же самое, что и приведенный выше энергетический аргумент, как и должно быть. Потери одинаковы, как ни посмотри.

Вероятно, есть также аргументы в пользу того, что более высокое давление приводит к меньшей деформации.

Один ответ, который я никогда не видел на этот вопрос, заключается в том, что момент инерции более толстой шины больше, чем у тонкой шины.

Даже при низком давлении более толстая шина будет удерживать больше воздуха, чем тонкая. Это означает, что необходимо раскрутить большую массу воздуха, поэтому более толстые шины требуют больше усилий. При одинаковом давлении воздуха в толстой шине будет даже больше, чем в тонкой.

Момент инерции является фактором только при (замедлении) ускорения, и даже в этом случае он не так уж важен. Более толстые шины требуют больше усилий из-за давления.
@whatsisname правильнее: «Более толстые шины требуют больше усилий из-за [отсутствия] давления»
Это зависит от давления. Если вы посмотрите на рекомендуемое давление, вы обнаружите, что в шинах разного размера содержится одинаковое количество воздуха.
@whatsisname В дополнение к ускорению и замедлению, вы также должны продолжать добавлять энергию, чтобы не замедляться. Вот где появляется дополнительная энергия.
Возьмем шину 23 мм и шину 38 мм с одинаковым давлением. Это примерно на 73% больше воздуха, плюс дополнительная резина, добавляющая вес. Я не думаю, что это просто давление. Это потому, что дополнительный вес приходится на те части, которые вам нужно продолжать вращать.
@jcbrou: но это не связано с моментом инерции вашего колеса, это связано с деформацией шины, колес и неэффективностью ваших ступиц. Когда колесо вращается, для поддержания его вращения не требуется никакой энергии, независимо от того, весит оно грамм или тонну. Энергия, которую вы должны вложить, в основном не зависит от массы колеса. Движущийся объект остается в движении.
@whatsisname Это полностью связано с моментом инерции. Трение, которое замедляет колесо, должно быть заменено энергией, которую вы добавляете в систему, если хотите поддерживать скорость. Эта энергия прямо пропорциональна массе/моменту инерции того, что вы двигаете. Если бы не было трения, вам не нужно было бы добавлять больше энергии, потому что колесо вращалось бы само по себе вечно.
@jcbrou: только трение, замедляющее колесо, зависит не только от массы ваших колес. При заданной скорости сопротивление, например, ваших ступиц, будет иметь фиксированную мощность, независимо от того, сколько весит ваше колесо. Кроме того, в примере со ступицами ступицы не выдерживают вес колеса, они выдерживают ваш вес, что еще раз подчеркивает, что не имеет значения, весят ваши колеса 1 грамм или миллион.
@whatsisname Я пытаюсь сказать вам, что вы правы насчет трения — все знают, что вам нужно продолжать крутить педали, чтобы продолжать движение на велосипеде, — но ошибаетесь насчет того, что нужно для вращения колеса. Здесь мы отклоняемся от физики, но момент инерции — это вращательная масса колеса. Сила (и энергия), необходимая для вращения колеса, прямо пропорциональна этому моменту инерции. Независимо от того, что заставляет колесо замедлять вращение, вам нужно добавить энергию, чтобы поддерживать его вращение, и эта энергия пропорциональна моменту инерции.
@jcbrou: все дело в физике. Момент инерции колеса говорит вам, сколько силы (крутящего момента) вам нужно, чтобы разогнать колесо, но не то, сколько силы вам нужно, чтобы поддерживать его скорость. Прочитайте (вики-статью о сопротивлении качению) [ en.wikipedia.org/wiki/Rolling_resistance] , момент инерции не указан как фактор.
@whatsisname Я собираюсь прямо спросить вас, что, по вашему мнению, происходит, когда вы едете? Колесо тормозит? Если да, то это крутящий момент против вас. Вы нажимаете, чтобы колеса крутились? Мне жаль говорить, что этот толчок является усилием на педалях, которое прикладывает крутящий момент к колесам. Вы посмотрели сопротивление качению - хорошо, хорошо. Там прямо в верхнем абзаце сказано, что это «сила».
@whatsisname (продолжение) Теперь, если мы вернемся к третьему закону Ньютона, мы вспомним, что на объект с постоянной скоростью должны действовать нулевые силы. Таким образом, если трение — это сила, замедляющая вращение колеса, то всадник должен прикладывать другую силу для поддержания постоянной скорости. Звучит правильно?
Этот поезд комментариев вышел далеко за рамки того, что он должен был иметь. Если вы хотите обсудить это дальше, перейдите в чат велосипедов .
Пожалуйста, используйте функцию поиска этого стека. bikes.stackexchange.com/questions/21237/… предполагает, что только воздух в шине весит от 7 до 16 граммов, что соответствует одному глотку воды. Вес воздуха незначителен по сравнению с шиной/камерой/ободом.
Ты прав. Я пытался объяснить тот факт, что не сопротивление качению приводит к тому, что для толкания этих шин требуется больше усилий.
Комментарии не для расширенного обсуждения; этот разговор был перемещен в чат .

Этот вопрос сбивает с толку некоторыми искажениями, но я собираюсь попробовать вашу «асимметрию сил». Если это не то, что вы имеете в виду под «асимметрией сил», то я предлагаю вам уточнить, поскольку многие люди устали отвечать на вопрос разными способами.

Над резиной совершается работа по ее деформации. Работа есть интегральная сила в направлении работы. Работа и теплота имеют одну и ту же единицу измерения.

Да, применяется закон сохранения энергии.

На переднем крае над шиной совершается работа (интеграл от fx ds) по ее смещению. Шина не похожа на пружину, где работа отдается на задней кромке. Практически вся работа преобразуется в тепло (трение в резине). Тепло более интенсивное, чем вы думаете — для производства тепла требуется много работы. Вы получаете очень небольшую пружину от резиновой задней части хвостовой части. Тепло не просто аккумулируется в виде температуры — затем тепло передается в атмосферу.

Деформация передней части также воздействует на воздух в шине. На хвостовой части воздух в шине заставляет шину выталкивать ее обратно. Большая часть этой работы возвращается. Часть этой работы с воздухом в шине преобразуется в случайную кинетическую энергию (температуру), что соответствует работе, не возвращаемой на задней кромке. Другая проблема связана с задней частью из-за задержки, большая часть этой работы отталкивается даже не от дороги, чтобы привести в движение шину. Это работа, проделанная над резиной и атмосферой.

Шина с большим рабочим объемом имеет большее сопротивление. Это сопротивление больше тепла. Есть сохранение энергии.

Энергия и работа имеют одни и те же единицы измерения (джоуль для СИ), а работа представляет собой интеграл силы, умноженной на перемещение по пути. Работа и энергия очень тесно связаны, так как работа — это форма энергии, как и теплота.

При постоянной скорости , мгновенном равновесии момент инерции действительно не окажет никакого влияния на усилие на педали . Однако если будут какие -то ускорения , то момент инерции толстой тяжелой шины будет играть существенную роль. Поскольку изменения скорости являются обычным явлением даже для типов Eddy Merckx, особенно для типов Eddy Merckx, в целом момент инерции велосипедной шины + колеса имеет значение по отношению к усилию на педали.

Почему тонкие шины требуют меньшего усилия на педали?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v