Czym różnią się opony drogowe od wyścigowych?
20 maja 2021

W naszym poprzednim wpisie porównaliśmy opony drogowe do opon wyścigowych. Tym razem zajmiemy się tym, jak skąd bierze się przyczepność opony, a także tym co się dzieje, gdy opona zacznie się nadmiernie ślizgać.

Postaramy się to wyjaśnić przystępnym językiem, gdzie wielokrotnie będziemy mówili o tym, że w dużym przybliżeniu powierzchnie mają „ząbki”, a także że dwie takie powierzchnie „zazębiają się” ze sobą. W ten sposób unikamy używania „nieco bardziej” skomplikowanych sformułowań, takich jak „interakcje intermolekularne”, które mogą niewiele wytłumaczyć (choć oczywiście są bardziej poprawne).

Niektórzy mówią, że „opona wgryza się w asfalt”. To stwierdzenie, choć potoczne, w dużym stopniu trafnie opisuje to, jak generowana jest „przyczepność” opony. Z poprzedniego wpisu pamiętamy, że przyczepność to siła jaka zostaje wytworzona pomiędzy oponą a nawierzchnią drogi. Im większa jest siła (a właściwie siły – poprzeczna i wzdłużna) tym opona jest bardziej przyczepna.

Aby zrozumieć to „wgryzanie” się opony w nawierzchnię, należy spojrzeć na oponę w skali mikro. Patrząc na powierzchnię opony pod bardzo dużym przybliżeniem, okaże się, że jej powierzchnia wcale nie jest gładka. Guma w skali mikro ma mocno „chropowatą” powierzchnię! Na takiej powierzchni można sobie wyobrazić małe „ząbki” (takie jak w zębatkach).

W przypadku betonu czy asfaltu, z których wykonuje się drogi lub właśnie tory wyścigowe, chropowatość powierzchni jest już znacznie bardziej oczywista. Można to stwierdzić choćby dotykając dłonią asfaltu na drodze – czuć wtedy nierówności w skali makro (czyli w szerokiej perspektywie). Ponadto, gdy spojrzymy na nawierzchnię w skali mikro, również okaże się, że asfalt/beton jest powierzchnią „chropowatą” (znów te „ząbki”)!

Połóżmy więc oponę na asfalcie i przyjrzyjmy się temu w skali mikro. Pod bardzo dużym powiększeniem można dostrzec, że obie wyżej opisane „chropowate” powierzchnie, „zazębiają się” ze sobą. „Zazębianie się” powierzchni opony i nawierzchni (wciąż mówimy o skali mikro) daje dwa skutki.

Pierwszym z nich jest przyczepność opony – gdy „ząbki” obu powierzchni zaczną się wzajemnie „blokować”, zostanie wytworzona między nimi siła tarcia (pamiętamy, że siła oznacza w tym przypadku przyczepność).

Drugim skutkiem jest zużywanie się opony – jeśli opona zaczyna się ślizgać, cały mechanizm przestaje działać jak dwa obracające się koła zębate. „Zęby” opony zaczynają się „urywać”, gdyż „zęby” nawierzchni toru stawiają im zbyt duży opór. Gdy „zęby” opony zaczynają się „urywać”, mówimy o ścieraniu się opon. W skrajnym przypadku (np. blokując koła podczas hamowania) może dojść do usunięcia tak dużej ilości gumy, że opona traci swój okrągły kształt w miejscu, gdzie nastąpiło ścieranie. Takie spłaszczenie opony jest potocznie zwane jako „flat spot”. Temu efektowi towarzyszy jednak również znaczny punktowy wzrost temperatury powierzchni opony, dodatkowo wzmacniający ścieranie się opony.

A gdy spojrzymy na oponę na asfalcie w skali makro? O ile powierzchnia opony jest gładka, o tyle nawierzchnia toru taką nie jest (przetestuj to delikatnie przejeżdżając opuszkami palców po asfaltowej drodze). Takie nierówności powodują drobne odkształcenia opony. Ponieważ opona działa jak sprężyna, gdy ją odkształcamy powodujemy powstanie siły jej styku z drogą. (Właściwie to odkształcenie jest skutkiem działania siły, lecz z Trzeciego Prawa Newtona wiadomo, że każdej akcji – sile – towarzyszy reakcja – również siła, tylko działająca w „przeciwną stronę”).

Podsumowując, to siły obecne na styku opony z drogą odpowiadają za to, że możemy mówić o przyczepności opony. Aby zobaczyć jak ta siła jest wytwarzana należy spojrzeć na powierzchnię styku opony i nawierzchni drogi czy toru. W skali mikro, obie te powierzchnie nie są równie, co powoduje ich „zazębianie się” ze sobą. To z kolei wytwarza niezbędną siłę tarcia, ale odpowiada też za zużywanie się opony. W skali makro, opona jest powierzchnią równą, jednak asfalt już taką nawierzchnią nie jest. Powoduje to odkształcanie się opony, wytwarzając siłę reakcji na styku opony i toru/drogi.

PS Gdy lód pokrywa zimą drogę, jej powierzchnia staje się prawie idealnie gładka, zarówno w skali mikro jak i makro.