Kako rade kočione pločice za bicikle: Znanost iza zaustavne snage

Jeste li se ikada zapitali kako sitne kočione pločice na vašem biciklu mogu brzo zaustaviti vozača i njegov bicikl?

Većina ljudi zna što kočione pločice rade - zaustavljaju vaš bicikl. Ali malo tko razumije kako one zapravo rade. Iza svakog glatkog zaustavljanja i kontroliranog spusta krije se mješavina fizike, inženjerstva i pametne znanosti o materijalima!

Analizirajmo znanost koja stoji iza kočionih pločica i što neke čini boljim od drugih.

1. Osnove: Pretvaranje kretanja u toplinu

Sjećate se na satu prirodoslovlja gdje smo učili da se energija ne može stvoriti ili uništiti, već se samo pretvoriti iz jednog oblika u drugi? To se događa tijekom procesa kočenja!

Kada se vaš bicikl kreće, on ima kinetičku energiju - energiju gibanja.

Kinetička energija se može izračunati na sljedeći način:

0,5 x masa sustava x kvadrat brzine.

Dakle, vidimo da ukupna kinetička energija ovisi o dvije varijable:

1) masa vozača i bicikla

2) brzina (koliko brzo idete).

Što je veća masa i/ili brzina sustava, to je veća energija. Međutim, brzina ima ogroman utjecaj na ukupnu energiju jer je kinetička energija funkcija kvadrata brzine.

Svaki put kada se vaša brzina udvostruči, ukupna kinetička energija se učetverostručuje! Zato je čvrsto i pouzdano kočenje ključno za duge nizbrdice na biciklu!

Kod hidrauličnih disk kočnica koje su danas prečeste na većini bicikala, kada povučete ručice kočnica, to potiskuje kočionu tekućinu do:

1. Kočiona čeljust koja pritišće pločice na rotor
2. Trenje između pločice i rotora pretvara kinetičku energiju u toplinsku (toplinsku) energiju, potencijalno čak i zvučnu energiju (škripa kočnica) 😖
3. Rotor i zrak oko njega raspršuju toplinu.

To je precizan proces pretvorbe: gibanje (kinetička energija) > trenje > toplina (toplinska energija) > zaustavljanje bicikla.

Premalo trenja = loše kočenje.

Previše topline = blijeđenje kočnica, glazirane kočione pločice, pa čak i deformacija rotora!

Zato se dizajn kočionih pločica usredotočuje na kontrolu trenja i topline, a ne samo na njihovo stvaranje.

2. Trenje: Temelj kočne snage

Kočione pločice zaustavljaju vaš bicikl putem dvije vrste trenja:

Adhezivno trenje

Dok se pločica pritišće o rotor dok se rotori okreću, trenje i toplina prenose sloj materijala kočionih pločica na rotore . To se naziva prijenosni sloj - zamislite površine ceste kada automobil izgori ili zanese se.

Ovaj prijenosni sloj je razlog zašto je toliko važno pravilno razraditi rotore ! Svaki biciklist s disk kočnicama može potvrditi koliko je slaba zaustavna snaga disk kočnica dok se dobro ne razrade.

Prilikom kočenja, ovaj prijenosni sloj se trenutno veže i koči , usporavajući vaš bicikl i puno je manje destruktivan u usporedbi s drugom vrstom trenja koju ćemo obraditi: abrazivnim trenjem.

Abrazivno trenje

To se događa kada površina pločica lagano trlja o rotor . Svaki put uklanja sićušni sloj materijala, pretvarajući energiju u toplinu. To dovodi do bržeg trošenja pločica i oštećenja rotora, ali to je neizbježna cijena zaustavljanja vašeg bicikla! Energija mora negdje otići...

3. Vrućina: Skriveni neprijatelj

Tijekom jakog kočenja, temperature na spoju pločica i diska mogu doseći i do 250 °C !

Primjer:
Bicikl od 75 kg + 9 kg koji se kreće brzinom od 40 km/h nosi oko 5185 J kinetičke energije. U jednom slučaju kočenja od 40 km/h do što jačeg zaustavljanja, 2 kočiona diska bi se zagrijala za ~47 °C . To se izračunava pomoću temeljne jednadžbe prijenosa topline.

ΔT​ =Q/( m × c) , gdje:

• $Q$ je toplinska energija (kinetička energija od 5185 J),
• $m$ je masa rotora (pretpostavlja se da je 110 g), i
• $c$ je specifični toplinski kapacitet materijala rotora (pod pretpostavkom nehrđajućeg čelika).

Također pretpostavljamo da se sila kočenja na kraju raspoređuje između dva identična rotora i da nema prijenosa topline između zraka i rotorskog sustava.

Promijenimo stvari, recimo da kočimo pri 50 km/h pod istim uvjetima kao i prije, pojedinačni rotori bi se umjesto toga zagrijali za 88 °C ! Imajte na umu da ovo ne uzima u obzir temperaturu okoline.

Možemo vidjeti koliko opterećenja rotori i kočione pločice moraju izdržati, posebno na dugim i brzim spustovima ili težim sustavima poput električnih bicikala.

Naravno, pločice i rotor moraju pravilno upravljati tom toplinom. Ako ne, počinju problemi:

• Slabljenje kočenja: Kada se pregrije, materijal kočionih pločica gubi trenje, što rezultira naglim padom snage kočenja. Zbog toga proizvođači kočionih pločica poput Shimana dodaju rebra za hlađenje na podlogu kočionih pločica.
• Glaziranje: Ovo je kada se jastučić lagano topi, stvrdnjava i postaje gladak - smanjujući prianjanje.
• Iskrivljavanje rotora: Neravnomjerno toplinsko širenje savija rotor, uzrokujući pulsiranje ili trenje.

Ako ste ikada vidjeli čelične rotore kako postaju žuti/smeđi/ljubičasti/plavi, to je znak da je čelik počeo oksidirati, što ukazuje na temperature znatno iznad 200 °C.

4. Balansiranje svega: toplina, trakcija, kontrola

U praksi, i trenje i upravljanje toplinom određuju koliko dobro funkcionira kočioni sustav bicikla. Ali baš kao i u automobilima, kočnice bicikla ne mogu generirati neograničenu silu ili zauvijek izdržati ekstremne temperature.

Čak i najbolje kočione pločice i diskovi imaju ograničenja. Ako ih previše pritisnete, pregrijat će se, zastakliti ili izblijedjeti. Ali postoji i još jedno ograničenje: prianjanje .

Bez obzira koliko su vam kočnice snažne, one mogu zaustaviti samo onoliko učinkovito koliko vaše gume mogu prianjati uz cestu ili stazu . Ako sila kočenja premašuje prianjanje, gume će proklizavati ili izgubiti prianjanje, što smanjuje kontrolu i povećava zaustavni put.

Zato dobar kočioni sustav nije samo stvar čiste zaustavne snage. Radi se o ravnoteži između:

• Generiranje dovoljno trenja za brzo i sigurno zaustavljanje
• Upravljanje toplinom kako bi kočnice ostale konzistentne i
• Usklađivanje te snage sa sposobnošću gume da održi prianjanje.

S dizajnerske perspektive, moderne biciklističke kočnice su usmjerene na ovaj kompromis. Cilj je pružiti maksimalne performanse kočenja bez žrtvovanja kontrole ili stabilnosti , bez obzira na uvjete - suhi asfalt, rastresiti šljunak ili mokre nizbrdice.

5. Materijali kočionih pločica

S obzirom na širok raspon situacija u kojima se netko može naći sa svojim biciklima, proizvođači su stvorili izbor kočionih pločica formuliranih s različitim spojevima, pri čemu je svaka vrsta prikladnija za određene karakteristike vožnje od druge.

Smjese za kočione pločice mogu se formulirati korištenjem izuzetno širokog spektra smjesa, zbog čega svaki proizvođač kočionih pločica čuva svoj jedinstveni recept!

Za više informacija o općenito korištenim spojevima kliknite ovdje!

6. Završne misli

Kočenje nije samo stvar sile - radi se o kontroli, dosljednosti i samopouzdanju . Iza svakog glatkog zaustavljanja krije se ravnoteža fizike i dizajna materijala.

Vaše kočione pločice održavaju tu ravnotežu svaki put kada vozite. Stoga, kada je vrijeme za njihovu zamjenu, odaberite pločice dizajnirane na temelju stvarne znanosti. Jer kada je u pitanju zaustavna snaga, potrebne su vam kočnice kojima možete vjerovati.

Otkrijte TracEdge kočione pločice - Izrađene od strane iskusnih tajvanskih inženjera koji se bave dizajnom i proizvodnjom kočionih pločica za automobilski, lokomotivski i poljoprivredni sektor!

Sa ❤️,
Tim