XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование факторов, влияющих на тормозной путь мотоцикла

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Суздальцев Н.В. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение муниципального образования Динской район «Средняя общеобразовательная школа № 1 имени героя Российской Федерации Туркина Андрея Алексеевича»

Суздальцева Н.В. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение муниципального образования Динской район «Средняя общеобразовательная школа № 1 имени героя Российской Федерации Туркина Андрея Алексеевича»

Работа в формате PDF

3.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Я с 12 лет увлекаюсь мотоциклами. Любовь к ним мне привил мой отец и старший брат. Жду с нетерпением своего шестандцатилетия, чтобы получить права категории А1 на мотоциклы с маленьким объемом двигателя – до 125 см³.

Проблема.

Физика сопровождает нас повсюду, в том числе и на дороге. Мне не дает покоя вопрос – от чего зависит тормозной путь мотоцикла? Ответ на этот и многие другие вопросы, связанные с движением тел, дают законы механики.

Актуальность и значимость моего проекта.

Многие подростки мечтают о двухколесном транспорте – мотоцикле, мопеде или скутере. Но мало кто задумывается, что такой вид транспорта является средством повышенной опасности. Подростки садятся за руль, зачастую не имея водительского удостоверения на право управления транспортным средством, не имея опыта вождения, не зная правил дорожного движения, пренебрегают любыми средствами безопасности, развивают на них довольно большие скорости, подвергают опасности не только себя, но и других участников дорожного движения. Это связано с многими причинами, в частности с незнанием физических законов и факторов, влияющих на тормозной путь. Лишний метр, прочерченный покрышками по асфальту, может стоить не только разбитого крыла у мотоцикла, но и жизни. Многие учащиеся в будущем станут водителями или пешеходами, которые обязаны знать, что тормозной путь зависит от начальной скорости, коэффициента сцепления шин с дорогой и других внешних факторов.

Цель проекта: исследовать факторы, от которых зависит тормозной путь мотоцикла.

В соответствии с поставленной целью в работе я определил основные задачи:

1. Изучить теоретический материал о тормозном пути мотоцикла.

2. Исследовать факторы, влияющие на длину тормозного пути мотоцикла.

3. Выяснить зависимость тормозного пути от скорости и коэффициента сцепления шин с дорогой.

4. Организовать эксперименты, подтверждающие зависимость тормозного пути от скорости и коэффициента сцепления шин с дорогой.

Гипотеза. Тормозной путь мотоцикла зависит от начальной скорости и от коэффициента сцепления шин с дорогой.

Предмет исследования: факторы влияющие на тормозной путь мотоцикла.

Объект исследования: мотоцикл.

Практическая значимость состоит в применении зависимости тормозного пути от скорости и от коэффициента сцепления шин с дорогой.

Методы исследования: изучение литературы и других источников информации, наблюдение, эксперимент.

В этой работе я рассматриваю торможение при прямолинейном движении, так как здесь не надо учитывать силы, действующие на мотоцикл в повороте.

1. Теоретическая часть.

1.1. Отличие мотоцикла от автомобиля.

Управление мотоциклом отличается от управления автомобиля по ряду причин (Приложение 1. Рис. 1):

1. Мотоцикл меньше по габаритам, а значит, его труднее заметить в транспортном потоке.

2. У мотоцикла два колеса, на нем необходимо удерживать равновесие, он менее устойчив.

3. При езде на мотоцикле водитель использует не только органы управления, но и активно перемещает свое тело, руки и ноги.

4. Мотоцикл более зависим от силы ветра и дефектов дорожного покрытия.

5. Водитель мотоцикла практически не защищен от дождя, ветра, холода и жары. [1]

1.2. Классификация современных мотоциклов.

Прежде чем приобретать мотоцикл необходимо понимать для какой цели вы его берете. В зависимости от назначения и совокупности конструктивных признаков можно выделить (Приложение 1. Рис. 2):

• Дорожные или классические мотоциклы - подходят для ежедневного передвижения по городу и преодоления небольших расстояний по трассе. (Honda, Ducati, Suzuki, Jawa).

• Круизеры и чопперы - туристические мотоциклы (Harley-Davidson, Indian, Suzuki, Hyosung, Honda).

• Кастом - несерийные мотоциклы, созданные в единственном экземпляре на основе пожеланий заказчика.

• Спортивные или гоночные – подходят для соревнований (Yamaha, Suzuki, Kawasaki, Triumph Daytona, Aprilia).

• Туристские мотоциклы - служат идеальным транспортом для туризма (Harley-Davidson, BMW, Honda).

• Кроссовые мотоциклы - гоночные мотоциклы для бездорожья (Kawasaki, Husqvarna, Gas-Gas).

• Мотоциклы двойного назначения (в просторечии эндуро) – применяется для езды по асфальту и бездорожью (Honda, Suzuki, KTM, BMW, Ducati).

• Найкед или нейкед - спортивный мотоцикл, адаптированный для городской езды и подстроенный под разбитые дороги, а не гоночные трассы (Ducati, Aprilia, MV, Triumph, KTM).

• Электробайк - вместо ДВС используется электромотор, питаемый от перезаряжаемого аккумулятора (Lightning, Alta Motors, Eltreco, MOTAX, Super Soco) [2].

1.3. Тормозной и остановочный путь мотоцикла.

Тормозной путь – это те черные полосы, что оставляют покрышки на асфальте. Т.е. это расстояние, которое потребуется мотоциклу, чтобы полностью остановиться с момента срабатывания тормозных механизмов до полной остановки транспортного средства.

Остановочный путь – учитывает дистанцию, которую транспортное средство прошло с момента обнаружения его водителем потенциальной опасности на дороге до остановки [3]. То есть, включает в себя время реакции мотоциклиста и тормозной путь.

Время реакции водителя — это время с момента обнаружения мотоциклистом опасности до начала принятия мер для ее предотвращения (то есть увидеть, распознать, принять решение, начать действовать и нажать на тормоза) (Приложение 2. Рис.3).

1.4. Тормозные системы мотоциклов.

Правильная оценка тормозного пути и максимальная эффективность торможения — это способности, необходимые для безопасной езды при любых условиях. Водитель, неправильно использующий тормоза, особенно задний, является поводом для аварии. Именно на максимальную эффективность этого процесса рассчитаны производительные тормозные системы.

Тормозные системы мотоциклов бывают двух типов:

1. Барабанные тормоза. При торможении пружина оттягивает тормозные накладки от тормозного барабана, который соединен с колесом. При торможении колодки раздвигаются в стороны и тормозные накладки прижимаются к барабану, замедляя и в итоге останавливая вращение колеса. Когда торможение прекращается, пружина возвращает колодки в исходное положение[4].

2. Дисковые тормоза. К вращающемуся диску крепятся плоские тормозные колодки, на которые действует большой поршень, соединённый шлангом с поршнем поменьше. При нажатии на тормозную педаль или рычаг тормоза поршни гидроцилиндров прижимают тормозные накладки к диску. При отпускании тормозной педали давление тормозной жидкости уменьшается и фрикционные накладки отходят от диска (Приложение 2. Рис. 4).

1.5. Система ABS.

Тормозная система с ABS (антиблокировочная система) предназначена для того, чтобы предотвратить блокировку колес при торможении, обеспечивая лучшее сцепление с дорогой и безопасность вождения. [5]У мотоцикла с ABSтормозной путь может быть значительно короче (на 15-20%) (Приложение 3. Рис. 5), а само торможение будет более безопасным. Но, к сожалению, эта система дорогая, устанавливается только в последнее время и не на все мотоциклы.

1.6. Способы торможения.

Существует несколько видов торможения:

• полное - торможение до полной остановки мотоцикла;

• рабочее - для незначительного снижения скорости во время движения;

• стояночное — для удержания мотоциклов на уклоне;

• экстренное - торможение в экстремальных ситуациях.

При торможении двигателем сбрасывают «газ», не выключая сцепление [1] .Такой способ торможения применяют при заблаговременном замедлении, торможении на длинных спусках или скользкой дороге (Приложение 3. Рис. 6) .

Торможение – это процесс уменьшения скорости. Водитель хочет, что бы мотоцикл тормозил более эффективно. Т.е. чем сильнее мы давим на ручку тормоза, тем интенсивнее замедляемся. Но к сожаление все не так просто.

1.7. Каким колесом тормозить?

Во многих мотоциклах раздельная система тормозов без ABS. Я рассмотрю езду по прямой, сухой и ровной (без уклона) дороге.

Если тормозить только передним тормозом, то чтобы не перевернуться, нужно избегать резкого нажатия на тормоз. При сильном нажатии на скорости (экстренном торможении) происходит полная блокировка колеса. Общий вес мотоцикла с водителем нагружает переднее колесо больше заднего от 70 до 100% всего веса, т.е. происходит перемещение центра масс. 100% от веса – это когда заднее колесо начинает подниматься, т.е. происходит «стоппи» и заднее колесо становится бесполезным, потому что на него приходится ноль веса. Также при экстренном торможение передним тормозом может произойти мгновенная потеря управляемости и падение.Поэтому тормозить в пол только передним колесом очень опасно. Этот прием можно использовать только на малых скоростях - 60-70 км/ч. Использование только переднего тормоза сокращает тормозной путь по сравнению с задним на 30% (Приложение 4. Рис. 7).

Если тормозить в пол только задним тормозом, то удержать мотоцикл возможно получится. Эффективно на скоростях до 80 км/ч, но с учетом большого свободного расстояния до места, где нужно остановиться. Как экстренное – не подходит, возможен занос мотоцикла и последующее падение.

Но в идеале мотоциклист должен научиться экстренно тормозить двумя колесами одновременно. Для этого нужна хорошая практика. Плюс такого торможения заключается в том, что это приводит к быстрой остановке и может использоваться во время экстренных торможений. Одновременное использование обоих тормозов еще на 20% сокращает тормозной путь (Приложение 4. Рис. 8).

Вывод: необходимо тренироваться тормозить двигателем, работать обоими тормозами, переносить собственный вес назад, для предотвращения «стоппи», хорошо упираться в подножки обеими ногами и вовремя прекращать давить на тормоз.

2. Практическая часть

2.1. Влияние геометрии мотоцикла на тормозной путь.

В одной статье я прочитал как геометрия мотоцикла влияет на торможение. Я приведу некоторые из них [6].

Для начала я указал силы, действующие на мотоцикл при торможении и необходимые расстояния (Приложение 5. Рис. 9)

Динамическая нагрузка (движение) переднего колеса равна сумме статической нагрузки и перенесенной нагрузки:

Динамическая нагрузка заднего колеса равна разнице статической нагрузки и перенесенной нагрузки:  .

Тормозная сила в условиях клевка мотоцикла вперед:

Где:

    - статическая нагрузка (покой) переднего колеса.

  - статическая нагрузка заднего колеса.

– перенесенная нагрузка, пропорциональна общей силе торможения, высоте центра масс и обратно пропорциональна колесной базе.

сила тяжести (вес), действующий на мотоцикл с мотоциклистом.

F_{инерции} , – это сила полного торможения (сила инерции) - сила, возникающая при разгоне или торможении тела, и направленная в обратную сторону от ускорения.

тормозные силы, действующие на переднее и заднее колесо.

– коэффициенты тормозных нагрузок переднего и заднего колеса.

h – высота центра масс,

b – расстояние заднего колеса от центра тяжести,

с = L - b – расстояние переднего колеса до центра тяжести,

L – колесная база.

Выводы:

1. Если центр тяжести будет посередине колесной базы, то статические нагрузки на колеса будут равны: . Значит мотоцикл будет иметь распределение статической нагрузки 50/50, т.е. каждое колесо принимает по 50% от всего общего веса.

2. В состоянии «стоппи» mg , т.е. переднее колесо будет принимать весь общий вес – 100% (Приложение 5. Рис.10).

3. Из этой формулы   видно, что тормозной путь зависит от геометрии мотоцикла. А точнее от его колесной базы (L), высоты (h) центра тяжести и массы мотоцикла.

• Чем меньше эта сила, тем легче мотоцикл клюет вперед.

• Чем ниже центр тяжести и чем длиннее колесная база, тем лучше он застрахован от опрокидывания, т.е. торможение будет происходить более эффективно, что приведет к меньшему тормозному пути.

• Из-за геометрии мотоцикла «стоппи» в большей степени будут подвержены спорт байки, и не будут подвержены круизеры.

2.2. Зависимость тормозного пути мотоцикла от скорости и коэффициента сцепления шин с дорогой.

Давайте рассмотри два абсолютно разных мотоцикла: ЯВА 638 и Honda VTX 1300 у которых разные массы и разные площади соприкосновения шин с поверхностью.

• ЯВА 638 = масса мотоцикла 152 кг + масса водителя 70 кг = 222 кг.

• Honda VTX 1300 = масса мотоцикла 305 кг + масса водителя 70 кг = 382 кг.

Допустим в шинах нормальное давление и равномерный износ (Приложение 6. Рис. 11).

У Явы колеса имеют ширину: переднее 8 см, заднее 10 см.

У Honda VTX 1300: переднее колесо – 11 см, заднее – 18 см.

Допустим, что эти мотоциклы едут с одинаковой скоростью 72 км/ч, т.е. 20 м/с. Они начинают одновременно тормозить.

На эти мотоциклы действуют несколько сил:

F_{тяжести} = mg - сила тяжести, которая прижимает тело к земле;

N - сила реакции опоры , которая ей противодействует;

F_тр- сила трения, которая препятствует движению мотоцикла и направлена противоположно его движению.

По II закону Ньютона:   (1)

Проецируем на ось ox: F_тр = ma; (2)

Проецируем на ось oy: - mg + N = 0;

N = mg; (3)

Сила трения зависит от силы реакции опоры (N) и коэффициента трения (μ), она прямо пропорциональна им. А если точнее, равна просто их произведению: F_тр. = μN (4). Из формул (4) и (3) следует, что F_тр. = μmg.

Вывод: сила трения или сила торможения зависит от коэффициента трения и массы мотоцикла, и больше ни от чего. Чем больше коэффициент трения между резиной и поверхностью и чем больше масса мотоцикла, тем больше сила трения.

Из (2) формулы следует, что .

Подставим сюда силу трения. .

Перемещение мотоцикла s равно:

Подставим сюда ускорение:

Эту формулу можно вывести другим способом.

Как мы помним из нашей любимой физики, движущееся тело обладает кинетической энергией. Ее определяют по формуле:

, где m -масса мотоцикла; v– скорость мотоцикла.

И чем больше масса мотоцикла и с чем большей скоростью он едет, тем большей кинетической энергией он обладает.

Допустим, что эти мотоциклы едут с одинаковой скоростью 72 км/ч, т.е. 20 м/с. Они начинают одновременно тормозить.

С физической точки зрения тормоза мотоцикла превращают кинетическую энергию его движения в тепло, которое рассеивается в атмосферу. По закону сохранения энергии, энергия не может просто взять и куда-то исчезнуть.

У остановившихся мотоциклов кинетической энергии нет, ибо скорость нулевая. Но мы же помним, что энергия просто так никуда не пропадает, она лишь переходит из одного вида в другой. Куда же перешла вся кинетическая энергия при торможении? А перешла она в тепловую – асфальт и шины нагрелись. И заставила их нагреться сила трения F_тр. При этом, до момента торможения автомобиль проходит какой-то путь s. Таким образом, сила трения совершает работу по остановке автомобиля (A_трения), равную произведению силы трения на это расстояние. И, поскольку вся кинетическая энергия (E_кин) пошла на работу по нагреву шин и асфальта, мы их приравниваем:

A_трения = ∆E_кин =

A_трения =

m - масса мотоцикла, (кг).

v – конечная скорость мотоцикла, (м/с).

v₀ – начальная скорость мотоцикла, (м/с).

А_тр = F_трs - работа по остановке автомобиля, (Дж).

F_тр. = μmg – сила трения или сила торможения мотоцикла, (Н).

s – тормозной путь, (м).

µ - коэффициент трения колеса о поверхность (коэффициент сцепления шин с дорогой);

Пришли к этой же формуле.Она справедлива для случаев движения по ровной поверхности, поскольку при наклонной езде дополнительно появляются векторные силы.

Вывод: Тормозной путь мотоцикла зависит только от начальной скорости и коэффициента трения. От массы мотоцикла и от площади пятна контакта шин с асфальтом не зависит.

2.3. Вычисление тормозного пути мотоцикла.

На одном из сайтов [3] я нашел рисунок с ориентировочными дистанциями торможения мотоцикла (Приложение 7. Рис. 13). Составил таблицу, чтоб было легче анализировать (Приложение 7. Таблица № 1).

1). Вычислю по известным данным тормозной путь при разных скоростях по формуле: и сравню его с таблицей № 1. «Ориентировочные дистанции торможения мотоцикла на сухом асфальте». Коэффициент сцепления дорожного покрытия с колесом ( ) возьму по сухому асфальту [7] ; (Приложение 7. Таблица № 2). Время реакции водителя 0,7 секунд.