tl; dr: No.

Questo tipo di domanda sulla dinamica del veicolo viene affrontata al meglio da Racing Car Vehicle Dynamics

Quello che segue è una discussione di base a livello di fisica delle scuole superiori. Come vedrai dal testo di riferimento, la fisica delle scuole superiori è insufficiente per modellare staticamente l'intero sistema del veicolo. È necessario un modello dinamico per concordare con dati sperimentali facilmente ottenibili.

Supponendo che le pastiglie dei freni siano in grado di bloccare gli pneumatici e l'ABS, e ignorando la deportanza, è tutto solo per le gomme?

No.

Peso dell'auto: la fisica mi dice che l'attrito è proporzionale alla forza normale, quindi immagino che non abbia importanza

Sbagliato. La massa è il fattore dominante.

La tua equazione critica qui è:

dove

d è la tua distanza di arresto e, come puoi vedere, è definita in termini di accelerazione a (decelerazione nel tuo caso), la tua velocità iniziale v_0 e il tempo necessario per arrivare alla velocità zero t . F è la forza di decelerazione dell'intero veicolo e del suo sistema frenante mentre m è la massa del veicolo.

Per completezza: a risolvi per t , è meglio usare le equazioni dell'energia. Tuttavia, le due equazioni precedenti sono sufficienti per fare un'approssimazione numerica nel foglio di calcolo di tua scelta.

Quindi, a parità di altre condizioni, puoi facilmente vedere che la massa del veicolo domina l'intero sistema. Se non si cambia nient'altro, un veicolo più leggero si ferma più velocemente (maggiore accelerazione a parità di forza). Due auto identiche con un numero diverso di passeggeri rallenteranno a velocità diverse.

Conferma sperimentale: tutta questa discussione è divertente ma una fisica solida dovrebbe essere confermabile (o falsificabile) utilizzando un esperimento.

Materiali richiesti:

1. Un'auto completamente rifornita.
2. Una rotta misurata per test di frenata a 60 mph (ad esempio, un binario rettilineo, un cartello Brake Here e indicatori di 10 metri).
3. Un carico aggiuntivo di 20 sacchi di sabbia da cinquanta libbre.

Procedura:

1. Eseguire dieci prove di frenata da 60 mph senza carico aggiuntivo. Misura la distanza necessaria per fermarti ad ogni corsa. Tieni presente che le corse back-to-back probabilmente indurranno lo sbiadimento dei freni (la distanza aumenterà con la temperatura dei freni).

2. Rifornire l'auto.

3. Aggiungi 10 sacchi di sabbia da cinquanta libbre al veicolo (per un totale di 500 libbre aggiuntive). Ripeti le stesse prove di frenata da 60 mph sullo stesso percorso. Notare le distanze di arresto. Notare che le distanze richieste per fermarsi sono più lunghe. Tieni presente che le corse back-to-back determinano una dissolvenza dei freni sempre più grave (ovvero, le lunghe distanze di arresto si allungano molto più velocemente).

4. Rifornire l'auto.

5. Aggiungi altri 10 sacchi di sabbia da cinquanta libbre (per un totale di 1000 libbre aggiuntive). Ripetere le stesse prove di frenata. Notare che le distanze di arresto richieste sono molto più lunghe. Nota che le corse back to back si traducono in una dissolvenza dei freni molto più rapida (probabilmente raggiungendo uno stato di terrificante poiché i freni sembrano cessare di funzionare).

Conclusione :

Tornando alle nostre equazioni originali, possiamo vedere che all'aumentare di m , vi è un netto aumento della distanza d e tempo t necessario per fermarsi. Se F fosse una pura forza di attrito cinetica o statica, ci aspetteremmo che aumenti linearmente con m , risultando in distanze di arresto quasi identiche.

Poiché non è affatto così, possiamo concludere che F non è una forza di attrito idealizzata.

Quindi, assumendo gli stessi pneumatici e freni in grado di trattenere i pneumatici a quella forza statica massima, non vedo perché la massa aumenterebbe lo spazio di frenata.

Sì, la situazione sarebbe molto semplice se un'auto fosse un blocco solido ideale di un libro di testo di fisica (ad esempio un pollo sferico). Nel tuo commento stai sostituendo m in più punti come se fosse sempre lo stesso su ogni ruota. Questo sarebbe il caso se stessimo parlando di un problema di fisica. Sfortunatamente, un'auto reale è una scatola vuota che poggia su molle, che cavalca palloncini rotondi di gomma e acciaio.

Quando parli della forza normale, stai parlando della forza della toppa di pneumatico sulla strada. Questa situazione corrisponderebbe alla funzione di attrito di base solo se il veicolo non fosse in movimento con i freni bloccati. C'è una quantità di forza che sarà necessaria per spingere questa cosa pesante attraverso il parcheggio (con le gomme che stridono per tutto il percorso, presumo). Macchina pesante => più difficile da spingere.

Sfortunatamente, nessuna delle precedenti è effettivamente rilevante.

La realtà è che la forza normale utilizzata per l'attrito cinetico per fermare l'auto non sono le gomme. In realtà è la forza delle pastiglie dei freni sui rotori (o sui tamburi, ma presumo i freni a disco per il gusto di avere qualcosa di facile da indicare). La loro forza di serraggio è ciò che effettivamente rallenta la ruota. Ciò si traduce in un rallentamento del veicolo solo se i pneumatici sono accoppiati staticamente alla superficie. Una ruota che smette di girare slitta, non frena.

Rigidità delle sospensioni: questo ridurrebbe l'abbassamento anteriore, ma influisce anche sullo spazio di frenata?

Rimbalzo delle sospensioni: un rimbalzo scarso potrebbe causare un tempo di trasmissione momentaneo se la strada è accidentata, sarebbe sostanziale?

Rigidità del telaio: un telaio che si deforma un po 'di più sotto forti forze causerebbe il salto di qualche pneumatico o qualcosa del genere?

Tutto ciò che aumenta la superficie di contatto del pneumatico aumenterà la capacità della strada di indurre una coppia sulla ruota (e viceversa). Una grande superficie aderirà bene alla strada, mantenendo la ruota in movimento e consentendo ai freni di utilizzare più forza di presa prima che la ruota si fermi, facendo slittare i pneumatici. Una toppa più piccola aderisce male, determinando uno slittamento con una forza di presa molto inferiore.

È qui che il tuo sistema ABS cerca di ottimizzare una brutta situazione: cerca di impedire a tutte le ruote di fermarsi rilassandosi e afferrare la forza di bloccaggio dei freni vicino al limite di trazione. Questa modulazione dei freni è esattamente ciò che un pilota esperto tenterà di duplicare.

Perché è peggio avere la maggior parte del carico su due pneumatici invece di quattro?

Anche in questo caso, il sistema frenante dipende totalmente dall'uso dei dischi freno e dalla forza di serraggio che può applicare prima che le ruote si blocchino. Quando il peso lascia le ruote posteriori, la loro superficie di contatto si avvicina allo zero. Di conseguenza, il sistema frenante non può applicare molta forza di serraggio prima che quelle ruote si blocchino (cioè, ora sono fuori dal quadro).

Tuttavia, spostare il peso in avanti ha aumentato le zone di contatto delle gomme anteriori ma non sono raddoppiate (questa è una conseguenza di molte cose, incluso che ognuna è un pallone pieno d'aria che non distribuito linearmente con l'aumento del peso che sostiene). Di conseguenza, ogni pneumatico anteriore ora riceve meno del doppio della coppia che ogni pneumatico riceveva prima del trasferimento del peso. Conseguenza: ogni rotore anteriore può essere impugnato con una forza maggiore ma non doppia, con conseguente riduzione della frenata e distanze di arresto più lunghe.

Qualità dell'ABS - ignorando l'EBD, c'è una differenza sostanziale nel efficacia dell'ABS tra i modelli di auto?

Questo può davvero essere risolto solo in termini di una situazione specifica. Qual è lo scenario? Quali pneumatici sono in uso? Neve vs ghiaccio vs sabbia vs pioggia? Pneumatici freddi o caldi?

In generale, qualsiasi moderno sistema ABS è meglio di niente. È quasi ottimale se paragonato al conducente medio, alla loro consapevolezza della situazione e ai loro tempi di reazione.

Può un guidatore molto esperto frenare meglio senza ABS di quanto farebbe con l'ABS?

Credo fermamente che Michael Schumacher possa frenarmi in pista, nello stesso veicolo, indipendentemente dal sistema ABS che dovessi usare.

E allora?

A meno che tu non sia un pilota campione di Formula Uno (o un equivalente efficace), ti ho detto che questo è un confronto senza senso quando parli di guida nel mondo reale, su strade reali con persone reali che non prestano la stessa attenzione che dovrebbero.

Ho finito per fare un bel po 'di riflessione e ricerca su questo, quindi immagino che posso anche scrivere quello che ho trovato. Grazie a tutti coloro che hanno risposto, in particolare BobCross. Alla fine, però, volevo una risposta che andasse oltre il chiamare un'auto una scatola misteriosa su palloncini: ho posto questa domanda perché in realtà voglio capirla.

Introduzione - Pneumatici

Data la situazione di un'auto che ha una potenza di frenata sufficiente per bloccare le ruote e ignorando l'aero, i pneumatici sono il fattore determinante finale della potenza di arresto. Detto questo, ci sono molti fattori che influenzano il modo in cui gli pneumatici aderiscono al suolo.

Peso di un'auto

La potenza di arresto di un'auto è l'attrito. Con l'ABS corretto, le ruote rotolano a contatto con la strada, quindi stiamo parlando principalmente di attrito statico. Qualche slittamento si verifica a causa della morbidezza dei pneumatici, ma è abbastanza vicino alla statica.

La fisica di base ci dice che l'attrito è uguale alla forza normale moltiplicata per il coefficiente di attrito, ovvero:

Ff = µ * Fn

dove Ff è la forza di attrito, µ è il coefficiente di attrito e Fn è la forza normale.

Tuttavia le gomme sono un po 'più complicate. Per uno, il coefficiente di attrito diminuisce all'aumentare della forza normale (vedi questo articolo di Wikipedia per maggiori dettagli). Di seguito sono riportati i dati tratti da quell'articolo:

  Carico verticale µ (lbf) max900 1.101350 1.081800 0.97  

L'equazione di prima ci dice che la distanza di arresto è inversamente proporzionale alla forza di decelerazione, quindi con i dati di cui sopra, un raddoppio della massa si traduce in una diminuzione del -12% in µ, e quindi un aumento del + 14% della distanza di arresto. Perché? Questa equazione:

v_1 ^ 2 = v_0 ^ 2 + 2ad

i.e. data una velocità di partenza e di arrivo, l'accelerazione è inversamente proporzionale alla distanza.

Quindi più peso si traduce in una distanza di frenata più lunga, ma la relazione è solo leggermente positiva e decisamente non lineare.

Nota: l'aumento di peso mette l'auto a rischio di un peggioramento del freno, ma questo non rientra nell'ambito della domanda

Sospensione

Per quanto riguarda la frenata, la sospensione è importante per:

1. Mantenere gli pneumatici piantati sulla strada
2. Mantenere la distribuzione del peso anche tra i pneumatici. Le distribuzioni irregolari del peso, come nel caso delle cadute in picchiata, diminuiscono la capacità di frenata complessiva come sopra, vediamo che l'aderenza non aumenta linearmente con il carico.

Una sospensione più rigida aiuta sicuramente con (2) , tuttavia (1) richiede semplicemente una configurazione rigidità / estensione ideale per la strada, qualunque cosa mantenga gli pneumatici meglio piantati. Per un asfalto di qualità, una configurazione rigida e veloce sarà probabilmente la soluzione migliore.

Telaio

Tutto ciò che il telaio deve fare per frenare è agire come un corpo rigido tra la sospensione, in modo che la sospensione possa fare il suo lavoro. Quindi può fare la differenza, ma non sarà importante a meno che il telaio non faccia davvero schifo.

ABS

EBD fa parte del sistema ABS, quindi non puoi davvero analizzare l'ABS buono o cattivo senza considerare i guadagni dall'EBD.

Una buona configurazione dell'ABS può applicare diversi livelli di frenata a ruote diverse, quindi è possibile che l'ABS freni un essere umano , semplicemente avendo più controlli. Anche se su asfalto di qualità, la variazione del bilanciamento della frenata sinistra-destra probabilmente non è così significativa.

È difficile dire se ci siano davvero dei sistemi ABS scadenti, ma è del tutto possibile.

Conclusione”

Le gomme fanno sicuramente guadagnare soldi quando si tratta di frenata, se hai già freni potenti con un buon ABS, tuttavia ci sono altri fattori che giocano un ruolo molto significativo.

E se esci dall'ambito di un freno una tantum ignorando l'aerodinamica, beh, allora ... devi considerare l'aerodinamica poiché è enorme per le alte velocità e che l'ipotesi che i freni bloccino le gomme non è più scontata dopo molti giri in pista aggressivi con un'auto che spingeva fuori diverse centinaia di kW. Dove andrà a finire tutto quel potere?

Un punto da ricordare e tenere a mente è che il criterio principale in tutto questo è il coefficiente di attrito del pneumatico. Ciò è influenzato dalla pressione dei pneumatici. Se dovessi avere un determinato veicolo su un'autostrada fredda e piatta con buoni pneumatici alle pressioni corrette, la tua frenata sarebbe ottimale. Qualsiasi variazione da questa situazione, argomentativamente ideale, sminuirebbe le prestazioni di frenata. Le condizioni stradali, la qualità degli pneumatici, la pressione, il tempo e lo stato di riparazione del veicolo hanno tutti la loro influenza. I sistemi ABS sono generalmente prodotti per la casa automobilistica, questo significa che hai lo stesso sistema su moltissime marche e modelli. Tutti i sistemi ABS che troverai saranno indistinguibili l'uno dall'altro. Il prezzo dei sistemi sarà una differenza, poiché alcuni produttori importeranno componenti che hanno realizzato esattamente per loro in paesi in cui le preoccupazioni in materia di lavoro e salute e sicurezza sono inferiori, rendendoli più economici. (La VW non produce i propri cambi, sono fabbricati in Giappone.) Micheal Schumacher ha avuto il vantaggio della telemetria, del GPS e di Ross Brawn, nonché dell'accesso illimitato all'arena delle corse per esercitarsi a perfezionare la sua frenata. Oh sì, aveva anche un po 'di talento :-).

La risposta breve è che le seguenti cose giocano tutte un ruolo nello spazio di frenata:

1. Il peso dell'auto,
2. Il "grip" del pneumatico. Più morbido e più largo (e un po 'sotto-gonfiato) è migliore.
3. La corretta distribuzione della frenata su tutti i pneumatici. In uno scenario ideale, a tutti e quattro i pneumatici verrà assegnata la stessa quantità di lavoro di frenata (ma vedi il punto successivo)
4. il grado in cui il carico di ciascuna ruota è simile agli altri. Quando si frena, il centro di massa dell'auto si sposta in avanti. Ciò significa che i tuoi freni anteriori fanno tra il 60% e l'80% della frenata. Se questo può essere reso più 50/50, sarebbe d'aiuto. *
5. Una configurazione sospensione + ammortizzatore che manterrà ogni ruota a contatto con la strada il più possibile.
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* WRT # 4: è estremamente poco pratico impostare i componenti delle sospensioni della tua auto per mantenere il baricentro in una distribuzione 50/50 durante la frenata. Non credo sia nemmeno fisicamente possibile. Ma se fosse, avresti una sospensione anteriore estremamente dura e scomoda, mentre la parte posteriore sarebbe marshmallow.