Jak fungují brzdové destičky na jízdní kolo: Věda o brzdné síle

Přemýšleli jste někdy o tom, jak drobné brzdové destičky na kole dokážou rychle zastavit jezdce i jeho kolo?

Většina lidí ví, co brzdové destičky dělají – zastaví kolo. Jen málokdo ale chápe, jak doopravdy fungují. Pod každým plynulým zastavením a kontrolovaným sjezdem se skrývá směs fyziky, inženýrství a inteligentní materiálové vědy!

Pojďme si rozebrat vědecké poznatky o brzdových destičkách a co dělá některé z nich lepšími než jiné.

1. Základy: Přeměna pohybu na teplo

Pamatujete si v hodině přírodopisu, jak jsme se učili, že energii nelze vytvořit ani zničit, pouze přeměnit z jedné formy na druhou? To se děje během procesu brzdění!

Když se vaše kolo pohybuje, má kinetickou energii – energii pohybu.

Kinetickou energii lze vypočítat pomocí:

0,5 x hmotnost systému x druhá mocnina rychlosti.

Vidíme tedy, že celková kinetická energie závisí na 2 proměnných:

1) hmotnost jezdce a kola

2) rychlost (jak rychle jedete).

Čím větší je hmotnost systému a/nebo rychlost, tím větší je energie. Rychlost má však obrovský vliv na celkovou energii, protože kinetická energie je funkcí druhé mocniny rychlosti.

Pokaždé, když se vaše rychlost zdvojnásobí, celková kinetická energie se zčtyřnásobí! Proto je spolehlivé brzdění na dlouhých sjezdech na kole klíčové !

U hydraulických kotoučových brzd, které jsou v dnešní době u většiny kol až příliš běžné, když zatáhnete za brzdové páky, brzdová kapalina se dostane do:

1. Brzdový třmen, který tlačí destičky proti kotouči
2. Tření mezi destičkou a rotorem přeměňuje kinetickou energii na tepelnou (tepelnou) energii, potenciálně i na zvukovou energii (skřípění brzd) 😖
3. Rotor a vzduch kolem něj odvádějí teplo.

Je to přesný proces přeměny: pohyb (kinetická energie) > tření > teplo (tepelná energie) > zastavení kola.

Příliš malé tření = špatné brzdění.

Příliš mnoho tepla = blednutí brzd, zaschlé brzdové destičky a dokonce i deformace kotouče!

Proto se konstrukce brzdových destiček zaměřuje na kontrolu tření a tepla, nikoli pouze na jejich vytváření.

2. Tření: Základ brzdné síly

Brzdové destičky zastavují kolo dvěma typy tření:

Adhezní tření

Když se brzdová destička tlačí na rotor, když se rotory pohybují, tření a teplo přenášejí vrstvu materiálu brzdových destiček na rotory . Tomu se říká přenosová vrstva – představte si povrch vozovky, když auto vyhoří nebo se nechá driftovat.

Tato přenosová vrstva je důvodem, proč je tak důležité správně zaběhnout kotouče ! Každý cyklista s kotoučovými brzdami může potvrdit, jak slabá je brzdná síla kotoučových brzd, dokud nejsou kotoučové brzdy dobře zaběhnuté.

Při brzdění se tato přenosová vrstva na okamžik spojí a brzdí , čímž zpomaluje kolo a je mnohem méně destruktivní ve srovnání s jiným typem tření, který si probereme: abrazivním třením.

Abrazivní tření

K tomu dochází, když povrch destiček jemně drhne o rotor . Pokaždé odstraní malou vrstvu materiálu a přemění energii na teplo. To vede k rychlejšímu opotřebení destiček a poškození rotoru, ale to je nevyhnutelná cena za zastavení vašeho kola! Energie se musí někam dostat...

3. Horko: Skrytý nepřítel

Během prudkého brzdění mohou teploty na rozhraní destiček a kotoučů dosáhnout až 250 °C !

Příklad:
Jezdec o hmotnosti 75 kg + kolo o hmotnosti 9 kg jedoucí rychlostí 40 km/h nese kinetickou energii přibližně 5185 J. Při jednom brzdění ze 40 km/h do co nejprudšího zastavení by se oba brzdové kotouče zahřály o přibližně 47 °C . Toto se vypočítá pomocí základní rovnice přenosu tepla.

ΔT​ =Q/( m × c) , kde:

• $Q$ je tepelná energie (kinetická energie 5185 J),
• $m$ je hmotnost rotoru (předpokládá se, že je 110 g) a
• $c$ je měrná tepelná kapacita materiálu rotoru (za předpokladu nerezové oceli).

Také předpokládáme, že brzdná síla je nakonec rozdělena mezi 2 identické rotory a nedochází k přenosu tepla mezi vzduchem a rotorovým systémem.

Řekněme, že brzdíme rychlostí 50 km/h za stejných podmínek jako předtím, a jednotlivé rotory se místo toho zahřejí o 88 °C ! Nezapomeňte, že se nebere v úvahu okolní teplota.

Vidíme, jak velkému zatížení musí kotouče a brzdové destičky odolat, zejména při dlouhých a rychlých sjezdech nebo u těžších systémů, jako jsou elektrokola.

Destičky a rotor si samozřejmě musí toto teplo správně odvádět. Pokud ne, začínají problémy:

• Slábnutí brzdného účinku: Při přehřátí ztrácí materiál brzdových destiček tření, což má za následek náhlý pokles brzdného výkonu. Proto výrobci brzdových destiček, jako je Shimano, přidávají na podkladovou stranu brzdových destiček chladicí žebra.
• Glazura: V tomto okamžiku se podložka mírně roztaví, ztvrdne a stane se hladkou – což snižuje přilnavost.
• Deformace rotoru: Nerovnoměrná tepelná roztažnost ohýbá rotor, což způsobuje pulzování nebo tření.

Pokud jste někdy viděli ocelové rotory, které se zbarvily do žluta/hněda/fialova/modra, je to známka toho, že ocel začala oxidovat, což naznačuje teploty výrazně přes 200 °C.

4. Vyvážení všeho: Teplo, trakce, kontrola

V praxi určují jak tření , tak i hospodaření s teplem , jak dobře funguje brzdový systém kola. Stejně jako v autech však ani brzdy jízdního kola nemohou generovat neomezenou sílu ani odolávat extrémním teplotám navždy.

I ty nejlepší brzdové destičky a kotouče mají své limity. Pokud na ně budete tlačit příliš silně, přehřejí se, zmatní nebo se ztratí lesk. Existuje však i další limit: trakce .

Bez ohledu na to, jak silné jsou vaše brzdy, dokážou zastavit jen tak účinně, jak efektivně se vaše pneumatiky přidrží vozovky nebo stezky . Pokud brzdná síla překročí trakci, pneumatiky se prokluzují nebo ztratí přilnavost, což snižuje ovladatelnost a prodlužuje brzdnou dráhu.

Proto dobrý brzdový systém není jen o hrubé brzdné síle. Jde o rovnováhu mezi:

• Generování dostatečného tření pro rychlé a bezpečné zastavení
• Řízení tepla pro zajištění konzistentního brzdného účinku a
• Přizpůsobení této síly schopnosti pneumatiky udržet přilnavost.

Z konstrukčního hlediska jsou moderní jízdní brzdy zaměřeny na tento kompromis. Cílem je poskytnout maximální brzdný výkon bez ztráty kontroly nebo stability , bez ohledu na podmínky – suchý asfalt, sypký štěrk nebo mokré sjezdy.

5. Materiály brzdových destiček

Vzhledem k široké škále situací, ve kterých se člověk může ocitnout se svým kolem, vytvořili výrobci řadu brzdových destiček vyrobených z různých směsí, přičemž každý typ je vhodnější pro určitou jízdní charakteristiku než jiný.

Brzdové směsi pro destičky lze formulovat s použitím extrémně široké škály směsí, a proto si každý výrobce brzdových destiček střeží svou jedinečnou recepturu!

Chcete-li se dozvědět více o obecně používaných směsích, klikněte sem!

6. Závěrečné myšlenky

Brzdění není jen o síle – je to o kontrole, konzistenci a sebevědomí . Za každým plynulým zastavením se skrývá rovnováha mezi fyzikou a materiálovým designem.

Vaše brzdové destičky si tuto rovnováhu udržují při každé jízdě. Takže když je čas je vyměnit, vyberte si destičky navržené na základě skutečných vědeckých poznatků. Protože pokud jde o brzdnou sílu, potřebujete brzdy, kterým můžete věřit.

Objevte brzdové destičky TracEdge - Vyrobeno zkušenými tchajwanskými inženýry, kteří se zabývají návrhem a výrobou brzdových destiček pro automobilový průmysl, lokomotivy a zemědělství!

S ❤️,
Tim