Введение

Сопротивление качению, иногда называемое трением качения или сопротивлением скатыванию, — это сила, противодействующая движению тела (например, шара, шины или колеса) при его скатывании по поверхности. Оно в основном вызвано неэластичными эффектами, то есть не вся энергия, затраченная на деформацию (или перемещение) колеса, дорожного полотна и т. п., возвращается при снятии давления. Двумя формами этого являются гистерезисные потери (см. ниже) и необратимая (пластическая) деформация объекта или поверхности (например, почвы). Следует отметить, что проскальзывание между колесом и поверхностью также приводит к рассеянию энергии. Хотя некоторые исследователи включают этот фактор в сопротивление качению, другие предлагают рассматривать это рассеяние отдельно, поскольку оно обусловлено приложенным крутящим моментом к колесу и, как следствие, проскальзыванием между колесом и землей, которое называется потерями на проскальзывание или сопротивлением проскальзыванию. Кроме того, только так называемое сопротивление проскальзыванию связано с трением, поэтому название «трение качения» в определенной степени является неточным. Подобно трению скольжения, сопротивление качению часто выражается как коэффициент, умноженный на силу нормальной реакции. Этот коэффициент сопротивления качению обычно значительно меньше коэффициента трения скольжения. Любое колесное транспортное средство постепенно замедляется из-за сопротивления качению, включая сопротивление подшипников, но железнодорожный вагон со стальными колесами, движущийся по стальным рельсам, проедет дальше, чем автобус той же массы с резиновыми шинами, движущийся по асфальту. Факторами, влияющими на сопротивление качению, являются (степень) деформация колес, деформация поверхности дорожного полотна и перемещение под поверхностью. Дополнительные факторы включают диаметр колеса, нагрузку на колесо, адгезию поверхности, проскальзывание и относительное микроскольжение между поверхностями контакта. Потери, вызванные гистерезисом, также сильно зависят от материальных свойств колеса или шины и поверхности. Например, резиновая шина будет иметь большее сопротивление качению на асфальтированной дороге, чем стальное железнодорожное колесо на стальном рельсе. Кроме того, песок на земле будет оказывать большее сопротивление качению, чем бетон. Сам коэффициент сопротивления качению не зависит от скорости.

Определения

В широком смысле, специфическое "сопротивление качению" (для транспортных средств) – это сила на единицу веса транспортного средства, необходимая для его перемещения по ровной поверхности с постоянной малой скоростью, при которой аэродинамическое сопротивление (сопротивление воздуха) незначительно, а также отсутствуют тяговые (двигательные) силы или торможение. Иными словами, транспортное средство двигалось бы по инерции, если бы не сила, поддерживающая постоянную скорость. В этом широком смысле подразумевается сопротивление подшипников колес, энергия, рассеиваемая вибрацией и колебаниями как дорожного полотна, так и самого транспортного средства, а также скольжение колеса по поверхности дорожного полотна (дорожного покрытия или рельса). Однако существует еще более широкое понимание, включающее энергию, теряемую при проскальзывании колес из-за крутящего момента, передаваемого от двигателя. Это подразумевает увеличение мощности, необходимой из-за увеличения скорости вращения колес, когда тангенциальная скорость ведущего колеса(колес) становится больше скорости транспортного средства из-за проскальзывания. Поскольку мощность равна силе, умноженной на скорость, а скорость колеса возросла, требуемая мощность соответственно увеличилась. "Чистое сопротивление качению" для поезда обусловлено деформацией и возможным незначительным скольжением в точке контакта колеса с дорогой. Для резиновой шины аналогичная потеря энергии происходит по всей площади контакта, но она все равно называется "сопротивлением качению". В широком смысле, "сопротивление качению" включает сопротивление подшипников колес, потери энергии на колебания дорожного полотна (и земли под ним) и самого транспортного средства, а также скольжение колеса в точке контакта с дорогой/рельсом. Учебники по железнодорожному транспорту, как правило, рассматривают все эти силы сопротивления, но не называют их сумму "сопротивлением качению" (в широком смысле), как это сделано в данной статье. Они просто суммируют все силы сопротивления (включая аэродинамическое сопротивление) и называют эту сумму основным сопротивлением движению поезда (или подобным образом). Поскольку сопротивление качению железной дороги в широком смысле может быть в несколько раз больше, чем чистое сопротивление качению, опубликованные значения могут существенно различаться, поскольку они могут основываться на разных определениях "сопротивления качению". Двигатели поезда, конечно, должны обеспечивать энергию для преодоления этого сопротивления качению в широком смысле. Для шин сопротивление качению определяется как энергия, потребляемая шиной на единицу пройденного расстояния. Оно также называется трением качения или сопротивлением качению. Это одна из сил, противодействующих движению транспортного средства. Основная причина этого заключается в том, что при движении шины и контакте с поверхностью, поверхность деформируется, вызывая деформацию шины. Для автомобилей, используемых на шоссе, часть энергии рассеивается на колебания дорожного полотна (и земли под ним), колебания самого транспортного средства и скольжение шин. Однако, помимо дополнительной мощности, требуемой из-за крутящего момента и трения в подшипниках колес, сопротивление качению, не являющееся "чистым", похоже, не исследовалось, возможно, потому, что "чистое" сопротивление качению резиновой шины в несколько раз выше, чем пренебрегаемые сопротивления.

Пневматические шины

Для пневматических шин на твердом дорожном покрытии сообщается, что влияние диаметра на сопротивление качению пренебрежимо мало (в пределах практически используемых диаметров).

Все колеса

"Приложенный крутящий момент" может быть либо тяговым крутящим моментом, создаваемым двигателем (часто через трансмиссию), либо тормозным крутящим моментом, создаваемым тормозами (включая рекуперативное торможение). Такие крутящие моменты приводят к рассеянию энергии (в дополнение к рассеянию, обусловленному основным сопротивлением качению свободно катящегося колеса, то есть за исключением сопротивления проскальзыванию). Эта дополнительная потеря энергии частично связана с тем, что происходит некоторое проскальзывание колеса, а в случае с пневматическими шинами – с увеличением деформации боковин из-за крутящего момента. Проскальзывание определяется таким образом, что проскальзывание в 2% означает, что окружная скорость ведущего колеса превышает скорость транспортного средства на 2%. Даже небольшое проскальзывание может привести к сопротивлению проскальзыванию, значительно превышающему базовое сопротивление качению. Например, для пневматических шин проскальзывание в 5% может привести к 200-процентному увеличению сопротивления качению. Для поездов, движущихся в гору, это проскальзывание обычно составляет от 1,5% до 2,5%. Проскальзывание (также известное как ползучесть) обычно приблизительно прямо пропорционально тяговому усилию. Однако, если тяговое усилие настолько велико, что колесо близко к значительному проскальзыванию (более чем на несколько процентов, как обсуждалось выше), то проскальзывание быстро возрастает с увеличением тягового усилия и перестает быть линейным. При незначительном увеличении приложенного тягового усилия колесо теряет контроль, сцепление уменьшается, и колесо начинает вращаться еще быстрее. Это тот тип проскальзывания, который можно увидеть невооруженным глазом, в то время как проскальзывание в 2% при тяге обычно определяется только при помощи приборов. Такое быстрое проскальзывание может привести к чрезмерному износу или повреждениям.

Пневматические шины

Сопротивление качению значительно увеличивается с ростом приложенного крутящего момента. При высоких крутящих моментах, когда на дорогу действует касательная сила, равная примерно половине веса автомобиля, сопротивление качению может утроиться (увеличение на 200%). Это частично связано с проскальзыванием около 5%. Зависимость сопротивления качению от приложенного крутящего момента нелинейна, и скорость её увеличения возрастает с ростом крутящего момента.

Железнодорожные стальные колеса

Коэффициент сопротивления качению, Crr, значительно уменьшается с увеличением веса вагона на одно колесо. Например, у пустого грузового вагона Crr был примерно в два раза выше, чем у загруженного (Crr = 0,002 против Crr = 0,001). Этот же эффект "экономии масштаба" наблюдается при испытаниях вагонеток для шахт. Теоретический Crr для жесткого колеса, катящегося по упругому основанию, показывает обратную пропорциональность Crr квадратному корню от нагрузки.

Пневматические шины

Для пневматических шин направление изменения Crr (коэффициента сопротивления качению) зависит от того, увеличивается ли давление в шине с ростом нагрузки. Сообщается, что если давление в шине увеличивается с нагрузкой по определенному "графику", то увеличение нагрузки на 20% снижает Crr на 3%. Однако, если давление в шине остается неизменным, то увеличение нагрузки на 20% приводит к увеличению Crr на 4%. Разумеется, это увеличит сопротивление качению на 20% из-за увеличения нагрузки, плюс 1,2 x 4% из-за увеличения Crr, что в сумме даст увеличение сопротивления качению на 24,8%.

Общий

Когда транспортное средство (автомобиль или железнодорожный поезд) движется по кривой, сопротивление качению обычно возрастает. Если кривая не имеет уклона, компенсирующего центробежную силу равной и противоположно направленной центростремительной силой, то на транспортное средство будет действовать результирующая боковая сила. Это приведет к увеличению сопротивления качению. Уклон также известен как "супервысота" или "поперечный уклон" (не следует путать с уклоном рельса). Для железных дорог это называется сопротивлением кривизны, а для дорог – (по крайней мере, иногда) сопротивлением качению при повороте.

Звук

Прокатное трение генерирует звуковую (вибрационную) энергию, поскольку механическая энергия преобразуется в эту форму энергии вследствие трения. Одним из наиболее распространенных примеров прокатного трения является движение шин автомобилей по дороге, в результате чего звук образуется как побочный продукт. Звук, производимый автомобильными и грузовыми шинами при движении (особенно заметный на высоких скоростях), в основном обусловлен ударами протектора шины о поверхность и сжатием (и последующим расширением) воздуха, временно захваченного в протекторе.

Сравнение сопротивления качению автомобилей и поездов

Сопротивление качению стальных колес по стальным рельсам поезда значительно меньше, чем у резиновых колес автомобиля или грузовика. Вес поездов сильно различается; в одних случаях они могут быть намного тяжелее на одного пассажира или на тонну груза, чем автомобиль или грузовик, а в других – намного легче. Например, в 1975 году пассажирские поезда Amtrak весили чуть более 7 тонн на пассажира, что значительно превышает средний вес автомобиля – чуть более одной тонны на пассажира. Это означает, что для пассажирского поезда Amtrak в 1975 году значительная часть экономии энергии за счет меньшего сопротивления качению нивелировалась из-за его большего веса. Примером очень легкого высокоскоростного пассажирского поезда является поезд серии N700 Shinkansen, который весит 715 тонн и перевозит 1323 пассажира, что составляет около полутонны веса на одного пассажира. Этот меньший вес на пассажира в сочетании с низким сопротивлением качению стальных колес по стальным рельсам делает N700 Shinkansen гораздо более энергоэффективным, чем типичный автомобиль. Что касается грузовых перевозок, в 2013 году компания CSX провела рекламную кампанию, заявляя, что их грузовые поезда перевозят "тонну груза на 436 миль на галлон топлива", в то время как по некоторым данным, грузовики перевозят тонну груза примерно на 130 миль на галлон топлива, что свидетельствует о большей общей эффективности поездов.