Толкаем автомобиль

Все современные колесные экипажи, и прежде всего автомобили, имеют колеса на шарикоподшипниках. Какой выигрыш это дает?
Нагруженный легковой автомобиль «Волга» весит около двух тонн. Каждый шофер знает, что, если на ровном асфальтовом шоссе у него отказал двигатель, один человек в состоянии сдвинуть «Волгу» с проезжей части на обочину. Шофер знает и другое: самое трудное столкнуть машину с места. А уж после того как она пришла в движение, поддерживать ее можно даже одной рукой.
Но на что же затрачивается сила давления руки на машину, если, по нашему собственному утверждению, используя колесо с шарикоподшипником, мы полностью избавились от трения скольжения?
Настала пора рассмотреть еще один вид трения — трение качения.
Начнем с того, что, когда идеальная окружность катится по идеальной плоскости, никакого трения, в том числе и трения качения, нет. Но беда в том, что на свете не бывает ни идеальных плоскостей, ни идеальных окружностей.
Мы уже много раз говорили, что любая реальная поверхность содержит неровности: бугорки и впадины. Поэтому, если даже колесо представляет собой идеальную окружность, точнее, идеальный цилиндр, все равно, катясь по реальной поверхности, колесо то взбирается на бугорки, то проваливается во впадины.
Подъем на бугорки сопровождается подъемом и колеса, и телеги, и положенного на телегу груза. Ну, а на подъем груза, конечно же, нужно затрачивать силу. Эта сила и проявляется как сопротивление движению, получившее в технике название трения качения. Чем больший груз давит на колеса, тем больше сила сопротивления. Поэтому, как и в случае с трением скольжения, сила трения качения пропорциональна весу груза.


Можно ли избавиться от трения качения или хотя бы сделать его меньше? Самый верный способ вы уже знаете. Надо изготовлять колеса в виде идеальных цилиндров и катить их по дороге, представляющей собой абсолютно гладкую горизонтальную поверхность. Примерно так и поступают при изготовлении шарикоподшипников.
В шарикоподшипнике единственным видом трения остается трение качения. Чтобы сделать его меньше, поверхности, по которым катятся шарики, и сами шарики полируют. Используют также смазку, которая заполняет микроскопические впадины между бугорками. Благодаря этому в шарикоподшипниках силу трения качения удается почти свести к нулю. Каждый велосипедист знает, как долго продолжает вращаться по инерции колесо велосипеда, если хорошенько его раскрутить. Причина здесь именно в том, что во втулке велосипедного колеса установлены шарикоподшипники.
Ну, а как быть с трением качения внешней поверхности колеса о дорогу? Снова нам приходит на ум все тот же рецепт: отполировать дорогу, и снова приходится с сожалением от него отказаться. Правда, не до конца. Конечно, при езде по гладкой дороге трение качения меньше, поэтому современные автострады, как правило, покрывают асфальтом.
Но гладкость хороша лишь до определенного предела. На абсолютно гладкой дороге автомобиль нельзя столкнуть с места — ноги станут скользить по дороге. Конечно, исправный автомобиль не надо толкать, упираясь ногами в дорогу. Автомобиль движется, отталкиваясь от дороги теми же колесами, — у нас еще будет случай поговорить об этом. Но и колесами тоже не оттолкнешься от абсолютно гладкой поверхности.
Пожалуй, самые ровные дороги на свете — железнодорожные рельсы. Поверхность их делается гладкой еще на заводе. Затем она дополнительно полируется, когда по рельсам движутся локомотивы и вагоны. Недаром рельсы всегда блестят. Гладкая поверхность рельсов делается именно для того, чтобы свести к минимуму трение качения. Железнодорожный вагон с грузом в шестьдесят тонн, если его предварительно как следует разогнать, могут толкать по горизонтальному пути всего человек пять. Состав из ста таких вагонов легко тянет один локомотив.
Но хуже обстоит дело, когда железнодорожный состав нужно стронуть с места. Бывает так, что колеса локомотива вращаются, а сам локомотив стоит на месте. В этом случае говорят, что колеса пробуксовывают. Благодаря гладкости рельсов мы получаем малое трение качения, но и сила трения скольжения, которая в данном случае помогает локомотиву оттолкнуться от рельсов, оказывается недостаточной, чтобы сдвинуть состав с места.
В таких случаях под колеса локомотива посыпают песок. Песок увеличивает неровности на поверхности рельсов и, соответственно, увеличивает силу трения скольжения. И все же количество вагонов, которые можно подцепить к одному локомотиву, ограничивается в первую очередь величиной силы трения скольжения, или, как говорят железнодорожники, сцеплением колес локомотива с рельсами.
По тем же соображениям в состав асфальтовой массы, покрывающей автострады, обычно добавляют все тот же песок. Поэтому сила трения скольжения между колесами автомобиля и покрытием дороги оказывается достаточно большой. В сухую погоду автомобиль легко разогнать с места и легко остановить. Но совсем иначе ведет себя автомобиль на мокром после дождя шоссе. А вот если водяная пленка на шоссе к тому же еще подмерзнет. Нет у шоферов большего врага, чем гололед на дорогах.
Есть еще один способ уменьшить величину силы трения качения. Способ этот очень прост и состоит в том, чтобы увеличивать внешний диаметр колеса. Что при этом получается, достаточно хорошо видно из рисунка.
Художник изобразил два соседних бугорка на дороге и два колеса — маленькое и большое. Маленькое колесо почти целиком помещается между выступами. Чтобы двигаться вперед, ему надо подняться на всю высоту бугорка. Большое колесо просто перекатывается с вершины одного бугорка на вершину другого.




Ясно, что сопротивление движению во втором случае будет меньше. Именно по этой причине, если вы разгонитесь до одной и той же скорости по одной и той же дороге на велосипеде и на роликовых коньках, а потом станете двигаться но инерции, то на велосипеде вы продвинетесь на значительно большее расстояние. По этой же причине диаметр колес у велосипеда больше, чем у легкового автомобиля. Велосипед мы приводим в движение собственной силой, и конструкторы стремятся как только можно облегчить наш труд. Автомобиль двигают «лошадиные силы> мотора, и можно позволить какую-то небольшую их часть затратить на преодоление силы трения качения.
Но почему бы и у автомобиля не делать колеса большого диаметра? Хотя бы для того, чтобы экономить горючее?
Кстати говоря, у самых первых моделей автомобиля колеса были больше, чем у их нынешних потомков.
Оказывается, делать слишком большие колеса тоже нельзя. Во-первых, большое колесо больше весит. Вспомним, что в общем случае объем, а следовательно, масса и вес цилиндра увеличиваются как куб его радиуса. Поэтому если сделать слишком большое колесо, то выигрыш за счет увеличения радиуса компенсируется проигрышем за счет увеличения веса. Особенно у экипажей, предназначенных для перевозки малых грузов.
Вы, конечно, обращали внимание, что у грузовых автомобилей внешний радиус колес тем больше, чем на больший груз они рассчитаны. Для того чтобы большие колеса велосипеда весили поменьше, их делают не сплошными, а на очень тонких спицах (колеса со спицами были и у старых моделей автомобилей).
Есть еще одно соображение, по которому и диаметр и массу колеса нельзя делать очень большими. Это все та же инерция. Тяжелое колесо большого диаметра труднее разогнать и, соответственно, труднее остановить. Последнее особенно страшно, когда надо затормозить внезапно. Кроме того, чем быстрее вращается колесо, тем в большей степени сказывается его инерция. В частности, поэтому с увеличением максимальной скорости автомобилей стали уменьшать радиус их колес.
И, наконец, последнее замечание. Даже на совершенно гладкой дороге не так просто получить небольшую величину силы трения качения. Многое зависит и от материала дороги. Что происходит, например, когда автомобиль движется по песку? Поверхность песка можно разровнять и сделать достаточно гладкой. Но под действием веса экипажа колеса проваливаются в песок. Получается то же самое, как если бы колесо оказалось между двумя бугорками на неровной дороге.
Колеса локомотива или железнодорожного вагона давят на рельсы, и рельсы слегка прогибаются. Правда, в отличие от песка рельсы испытывают упругую деформацию и расправляются после того, как вагон проезжает. Но все равно получается так, что, даже двигаясь по горизонтальному рельсовому пути, колеса вагонов все время как бы взбираются в гору.


Основной вывод, который мы можем сделать из всего сказанного, таков: полностью избавиться от силы трения качения нельзя. Именно поэтому, чтобы поддерживать постоянной скорость прямолинейного равномерного движения железнодорожного вагона по горизонтальному гладкому рельсовому пути, все же требуется усилие пяти, а то и более человек.
Чтобы читатель не разочаровался в колесах, попросим его подсчитать в уме, сколько человек понадобилось бы, чтобы груз в шестьдесят тонн нести на плечах.


Потомки каменного топора