Jakie elementy opony mają wpływ na zwalczanie zjawiska aquaplaningu? Jaka jest zależność między szerokością opony, rzeźbą bieżnika i aquaplaningiem? Sprawdź.
Jakiś czas temu w artykule Aquaplaning wyjaśniliśmy na czym polega zjawisko aquaplanigu, jakie mogą być jego przyczyny, jakie skutki oraz jak go unikać.
W tym artykule spróbujemy trochę bliżej przyjrzeć się elementom bezpośrednio związanych w oponami, które mają wpływ na ryzyko wystąpienia zjawiska aquaplaningu.
Zmagania opony z napotkaną wodą można podzielić na dwa etapy:
-
Rozpraszanie wody
-
Kanalizacja i odprowadzanie wody, która nie została rozproszona
Za ten pierwszy etap w głównej mierze odpowiada kształt odcisku opony, za drugi rzeźba bieżnika. Spróbujemy wyjaśnić zadanie tych dwóch elementów.
Kształt odcisku opony
Opona tocząca się po mokrej drodze wytwarza przed sobą klin wody. Uderzenie bieżnika o wodę przed powierzchnią kontaktu wytwarza ciśnienie hydrodynamiczne. Gdy wartość tego ciśnienia przewyższy ciśnienie wewnątrz opon, przestaje być możliwe odpychanie wody i opona odrywa się od powierzchni drogi.
Wartość ciśnienia hydrodynamicznego w przybliżeniu można obliczyć według wzoru:
Obliczanie ciśnienia hydronamicznego
Ze wzoru w jasny sposób wynika, że ciśnienie hydrodynamiczne wzrasta w kwadracie prędkości ruchu. W związku z tym, im szybciej będziemy jechać, tym większe będzie ciśnienie wywierane przez klin wody. W momencie gdy to ciśnienie przewyższy ciśnienie w ogumieniu mamy do czynienia z aquaplaningiem. Największe ryzyko aquaplaningu występuje więc, gdy poruszamy się szybko na słabo napompowanych oponach. Wtedy nawet przy stosunkowo niskiej prędkości może mieć miejsce to niebezpieczne zjawisko.
Poniższy wykres przedstawia przykładową zależność między prędkością wystąpienia aquaplanigu a ciśnieniem w oponie.
Grafika przedstawia zależność pomiędzy ciśnieniem i prędkością występowania aquaplaningu, na podst. materiałów Michelin
Ten wykres przedstawia znaczenie prawidłowego ciśnienia na wielkość strefy kontaktu z nawierzchnią
Ciśnienie opon a aquaplaning. Grafika na podstawie materiałów Michelin
Jak wspomnieliśmy wcześniej na mokrej drodze tworzy się klin wody przed toczącą się opona. Trzeba go skutecznie rozproszyć na boki, zanim ciśnienie, jakie wywiera on na przednią krawędź powierzchni kontaktu przewyższy ciśnienie w oponie. Zastosowanie mają tu zjawiska z zakresu mechaniki cieczy. Wiadomo, że kształt płaski stawia większy opór niż zaokrąglony. Dlatego właśnie jednostki pływające mają zwykle dziób w kształcie litery V lub właśnie zaokrąglony. Podobnie jest z oponami : im kształt strefy kontaktu będzie bardziej zaokrąglony tym więcej wody będzie rozpraszane, niższe będzie ciśnienie hydrodynamiczne, więc wyższa będzie prędkość, przy której może wystąpić aquaplaning.
Przedstawiony wcześniej wzór możemy rozbudować uwzględniając kąt rozpraszania wody w konkretnym miejscu wynikający z kształtu strefy kontaktu . W ten sposób możemy obliczyć wartość ciśnienie hydrodynamicznego dla danego miejsca.
Obliczanie ciśnienia hydronamicznego z uwzględnieniem kąta rozproszenia wody
Kąt rozpraszania wody wynika z kształtu strefu kontaktu opony.
Ta zależność matematyczna pokazuje nam, że im kąt będzie większy, tym mniejsze będzie ciśnienie hydrodynamiczne.
Rzeźba bieżnika
Różnorodność występujących rzeźb bieżnika jest obecnie ogromna. Opony każdego z producentów mają pewne cechy charakterystyczne. Jedni producenci preferują typ bieżnika asymetryczny, inni kierunkowy, a jeszcze inni pozostają wierni rzeźbie symetrycznej. Duża różnorodność istnieje też między oponami z niskiej i wysokiej półki cenowej. Rzeźba bieżnika współczesnej opony składa się z rowków kątowych, poprzecznych, obwodowych oraz z lamel. Ma ona zapewniać skuteczne odprowadzanie wody, dzięki odpowiedniemu układowi rowków, aby woda była jak najszybciej ewakuowana, nie tworząc zawirowań w miejscach gdzie spotykają się kanały obwodowe i kątowe.
Ważny jest też przekrój tych rowków, czyli ich szerokość i wysokość.
Głębokość rowków (czyli inaczej mówiąc wysokość bieżnika) opon obecnie dostępnych na rynku europejskim oscyluje w granicach 7-8 mm. Zestawienie najczęściej występujących obecnie szerokości elementów rzeźby przedstawia tabela poniżej.
Zestawienie szerokości elementów rzeźby bieżnika
Wpływ szerokości bieżnika na rozpraszanie wody
W oparciu o nasze wcześniejsze rozważania, można stwierdzić że prawdopodobieństwo wystąpienia aquaplaningu jest tym większe im:
-
wysokość rzeźby bieżnika jest mniejsza, a gęstość jego rzeźby większa (czyli mały jest udział rowków bieżnika)
-
większa jest prędkość jazdy
-
głębsza jest warstwa wody na drodze
-
mniejsze jest ciśnienie powietrza w oponie.
Wszystkie te elementy wiążą się z ilością wody jaka musi być ewakuowana przez bieżnik. W sposób uproszczony można obliczyć ją na podstawie poniższego wzoru:
Obliczanie ilości wody, jaką odprowadza opona.
Graficzne przedstawienie parametrów opisywanych w powyższym wzorze.
Ilość wody wytłoczonej w jednostce czasu (np. 1 sekundzie) możemy obliczyć według wzoru:
Obliczanie ilości wody w jednostce czasu
Wykorzystując ten wzór możemy obliczyć ile litrów wody musi być ewakuowane spod opony w czasie każdej sekundy ruchu.
Dla naszych potrzeb będziemy rozpatrywać opony o szerokości czoła bieżnika 145 mm i 225mm, przy różnych prędkościach ruchu i głębokościach wody, aby uzmysłowić sobie z jak dużymi ilościami wody muszą sobie radzić opony. W pierwszym przypadku zobaczymy jaki jest wpływ szerokości bieżnika przy tej samej prędkości i głębokości wody. Przyjmiemy że głębokość wody wyniesie 3 mm, zaś prędkość ruchu 50 km/h, czyli 13,9 m/s. W takich warunkach przepływ wody konieczny do osiągnięcia wynosi:
Wpływ szerokości bieżnika na odprowadzanie wody
Różnica przepływu między szerszą, a węższą oponą wynosi aż 55%! Oznacza to, że szersza opona musi być przystosowana do znacznie większego przepływu wody. Szerokie opony muszą, więc nie tylko lepiej kanalizować wodę, ale też sprawniej ją rozpraszać.
Teraz zobaczmy jak wzrasta ilość wody koniecznej do odprowadzeni wraz ze wzrostem jej głębokości.
Badanie wzrostu ilości wody odprowadzanej spod bieżnika przy oponie o szerokości bieżnika 145 mm.
Badanie wzrostu ilości wody odprowadzanej spod bieżnika przy oponie o szerokości bieżnika 225 mm.
Wzrost głębokości z 3 mm do 7mm w przypadku opony o szerokości czoła 145 mm spowodował wzrost z 6.05 l/s do 14,1 l/s a w przypadku opony o szerokości czoła 225 mm spowodował wzrost z 9,38 l/s do 21,9 l/s. Jest więc w obydwu przypadkach ponad dwukrotny wzrost ilości wody z jaką opona musi sobie poradzić.
Ostatnią zmienną jaką możemy rozpatrzyć w oparciu o ten uproszczony wzór jest prędkość ruchu. Zobaczmy więc jak będą wyglądały wymagana zdolność przepływu przy wzroście prędkości z 50 km/h do 100 km/h. Łatwo się domyślić znając już wzór, którym się posługujemy że dwukrotny wzrost prędkości przy stałej głębokości szerokości spowoduje dwukrotny wzrost ilości wody do skanalizowania. Zobaczmy jak to jednak się przedstawia na liczbach bezwzględnych. Rozpatrzymy przypadek "ekstremalny" przy głębokości wody 7mm.
Zdolność odprowadzania wody wraz ze wzrostem prędkości dla opony o szerokości bieżnika 145 mm.
Zdolność odprowadzania wody wraz ze wzrostem prędkości dla opony o szerokości bieżnika 225 mm.
Obliczenia te mają charakter poglądowy i teoretyczny oraz pomijają wiele istotnych czynników związanych z samą oponą.
Uzmysławiają nam jak istotnymi czynnikami w aspekcie jazdy po mokrej nawierzchni są prędkość ruchu, głębokość wody oraz szerokość opony.
Przy czym należy tu zaznaczyć że opona szeroka niekoniecznie będzie gorsza na mokrej nawierzchni niż węższa. Chodzi jedynie o to, że musi ona ewakuować większą ilości wody, którą spotka na swojej drodze. Producenci projektując opony uwzględniają ten fakt zwiększając szerokość rowków oraz czasami wręcz tworząc nowe odmiany rzeźby dla większych rozmiarów opon danej gamy. Często też wykorzystują fakt, że dzięki zaokrąglonemu śladowi odcisku, który zapewni rozproszenie odpowiednio dużej ilości wody, możliwe jest zmniejszenie ilości wody do skanalizowania przez system rowków bieżnika.
Szerokość opony jest w danej sytuacji drogowej parametrem stałym, głębokość wody zwykle ciężko ocenić i może się ona nagle zmienić, np. gdy będziemy przejeżdżać przez poprzeczną kałużę. Jedynym parametrem, na który mamy wpływ jest prędkość. Dlatego na mokrej nawierzchni warto ją zmniejszyć, aby uniknąć aquaplaningu.