Jak działają klocki hamulcowe do rowerów: nauka stojąca za siłą hamowania

Czy zastanawiałeś się kiedyś, jak małe klocki hamulcowe w rowerze potrafią błyskawicznie zatrzymać rowerzystę i jego rower?

Większość ludzi wie, do czego służą klocki hamulcowe – zatrzymują rower. Ale niewielu rozumie, jak one naprawdę działają. Za każdym płynnym hamowaniem i kontrolowanym zjazdem kryje się połączenie fizyki, inżynierii i inteligentnej nauki o materiałach!

Przyjrzyjmy się bliżej naukowej stronie klocków hamulcowych i wyjaśnijmy, co sprawia, że ​​niektóre działają lepiej niż inne.

1. Podstawy: Zamiana ruchu na ciepło

Pamiętacie, jak na lekcjach fizyki uczyliśmy się, że energii nie da się wytworzyć ani zniszczyć, a jedynie przekształcić z jednej formy w drugą? To właśnie dzieje się podczas hamowania!

Gdy Twój rower się porusza, ma energię kinetyczną – energię ruchu.

Energię kinetyczną można obliczyć za pomocą:

0,5 x masa układu x kwadrat prędkości.

Widzimy więc, że całkowita energia kinetyczna zależy od dwóch zmiennych:

1) masa rowerzysty i roweru

2) prędkość (jak szybko jedziesz).

Im większa masa układu i/lub prędkość, tym większa energia. Prędkość ma jednak ogromny wpływ na energię całkowitą, ponieważ energia kinetyczna jest funkcją kwadratu prędkości.

Za każdym razem, gdy Twoja prędkość się podwaja, całkowita energia kinetyczna wzrasta czterokrotnie! Właśnie dlatego solidne i niezawodne hamowanie jest kluczowe na długich zjazdach na rowerze!

W przypadku hydraulicznych hamulców tarczowych, które są obecnie bardzo powszechne w większości rowerów, po pociągnięciu za klamkę hamulca płyn hamulcowy zostaje wypchnięty do:

1. Zacisk hamulcowy, który dociska klocki do tarczy hamulcowej
2. Tarcie między klockiem a tarczą zamienia energię kinetyczną w energię cieplną, potencjalnie nawet w energię dźwiękową (pisk hamulców) 😖
3. Wirnik i otaczające go powietrze odprowadzają ciepło.

To precyzyjny proces konwersji: ruch (energia kinetyczna) > tarcie > ciepło (energia cieplna) > zatrzymanie roweru.

Zbyt małe tarcie = słabe hamowanie.

Zbyt dużo ciepła = zanik siły hamowania, zeszklenie klocków hamulcowych, a nawet odkształcenie tarcz hamulcowych!

Dlatego też podczas projektowania klocków hamulcowych nacisk położony jest na kontrolowanie tarcia i ciepła, a nie tylko na ich wytwarzanie.

2. Tarcie: podstawa siły hamowania

Klocki hamulcowe zatrzymują rower dzięki dwóm rodzajom tarcia:

Tarcie adhezyjne

Gdy klocki hamulcowe naciskają na tarczę hamulcową, gdy tarcze są w ruchu, tarcie i ciepło przenoszą warstwę materiału klocków na tarcze . Nazywa się to warstwą transferową – wyobraź sobie nawierzchnię drogi, gdy samochód pali gumę lub wykonuje drift.

Ta warstwa transferowa to powód, dla którego tak ważne jest prawidłowe dotarcie tarcz ! Każdy kolarz z rowerem z hamulcami tarczowymi wie, jak słaba jest siła hamowania hamulców tarczowych, dopóki nie zostaną dobrze dotarte.

Podczas hamowania warstwa transferowa chwilowo się łączy i hamuje , spowalniając rower i jest znacznie mniej destrukcyjna w porównaniu do innego rodzaju tarcia, który omówimy: tarcia ściernego.

Tarcie ścierne

Dzieje się tak, gdy powierzchnia klocka delikatnie ociera się o tarczę . Za każdym razem usuwana jest niewielka warstwa materiału, zamieniając energię w ciepło. Prowadzi to do szybszego zużycia klocka i uszkodzenia tarczy, ale to nieunikniony koszt zatrzymania motocykla! Ta energia musi gdzieś ujść…

3. Gorąco: ukryty wróg

Podczas gwałtownego hamowania temperatura na styku klocków i tarcz hamulcowych może sięgać nawet 250 °C !

Przykład:
Kolarz o masie 75 kg i rower o masie 9 kg jadący z prędkością 40 km/h niosą ze sobą energię kinetyczną wynoszącą około 5185 J. Podczas pojedynczego hamowania z prędkości 40 km/h do pełnego zatrzymania z maksymalną możliwą siłą, obie tarcze hamulcowe nagrzałyby się o około 47 °C . Oblicza się to za pomocą równania przewodnictwa ciepła.

Δ T =P/( m × c) , Gdzie:

• $Q$ to energia cieplna (energia kinetyczna 5185J),
• $m$ to masa wirnika (przyjmowana jako 110 g), a
• $c$ jest pojemnością cieplną właściwą materiału wirnika (zakładając, że jest to stal nierdzewna).

Zakładamy również, że siła hamowania jest ostatecznie rozłożona na 2 identyczne tarcze i nie występuje wymiana ciepła między układem powietrza i tarcz.

Zmieniając sytuację, powiedzmy, że hamujemy z prędkością 50 km/h w tych samych warunkach co poprzednio, poszczególne tarcze nagrzałyby się o 88 °C ! Pamiętaj, że nie uwzględnia to temperatury otoczenia.

Widzimy, jakiemu obciążeniu muszą sprostać tarcze i klocki hamulcowe, zwłaszcza podczas długich i szybkich zjazdów lub w przypadku cięższych pojazdów, takich jak rowery elektryczne.

Oczywiście klocki i tarcze hamulcowe muszą odpowiednio odprowadzać ciepło. W przeciwnym razie zaczynają się problemy:

• Zanik siły hamowania: W przypadku przegrzania materiał klocków hamulcowych traci tarcie, co powoduje nagły spadek siły hamowania. Dlatego producenci klocków hamulcowych, tacy jak Shimano, dodają żeberka chłodzące do spodniej warstwy klocków.
• Szkliwienie: Dzieje się tak, gdy podkładka lekko się topi, twardnieje i staje się gładka, co zmniejsza przyczepność.
• Odkształcenie wirnika: nierównomierna rozszerzalność cieplna powoduje wygięcie wirnika, co powoduje pulsowanie lub tarcie.

Jeśli kiedykolwiek widziałeś, jak stalowe wirniki przybierają żółty/brązowy/fioletowy/niebieski kolor, jest to znak, że stal zaczęła się utleniać, co wskazuje na temperaturę znacznie przekraczającą 200 °C.

4. Równoważenie wszystkiego: ciepła, przyczepności i kontroli

W praktyce, zarówno tarcie , jak i odprowadzanie ciepła decydują o skuteczności układu hamulcowego roweru. Jednak podobnie jak w samochodach, hamulce rowerowe nie mogą generować nieograniczonej siły ani wytrzymywać ekstremalnych temperatur bez końca.

Nawet najlepsze klocki i tarcze hamulcowe mają swoje ograniczenia. Zbyt mocne naciskanie może je przegrzać, zeszklić lub zblaknąć. Ale jest jeszcze jedno ograniczenie: przyczepność .

Niezależnie od tego, jak mocne są Twoje hamulce, ich skuteczność zależy od przyczepności opon do drogi lub szlaku . Jeśli siła hamowania przekroczy przyczepność, opony wpadną w poślizg lub stracą przyczepność, co ograniczy kontrolę i wydłuży drogę hamowania.

Dlatego dobry układ hamulcowy to nie tylko czysta siła hamowania. To równowaga między:

• Generowanie wystarczającego tarcia, aby zatrzymać się szybko i bezpiecznie
• Zarządzanie ciepłem, aby hamulce działały spójnie i
• Dopasowanie tej mocy do zdolności opony do utrzymania przyczepności.

Z punktu widzenia projektowania, nowoczesne hamulce rowerowe opierają się na tym kompromisie. Celem jest zapewnienie maksymalnej skuteczności hamowania bez utraty kontroli i stabilności , niezależnie od warunków – suchego asfaltu, luźnego żwiru czy mokrych zjazdów.

5. Materiały klocków hamulcowych

Biorąc pod uwagę różnorodność sytuacji, w jakich można znaleźć się podczas jazdy rowerem, producenci stworzyli gamę klocków hamulcowych zawierających różne związki chemiczne, z których każdy jest bardziej odpowiedni do określonych warunków jazdy niż inny.

Mieszanki do produkcji klocków hamulcowych można wytwarzać z bardzo szerokiej gamy składników, dlatego każdy producent klocków hamulcowych strzeże swojej unikalnej receptury!

Aby dowiedzieć się więcej o różnych stosowanych związkach, kliknij tutaj!

6. Podsumowanie

Hamowanie to nie tylko kwestia siły – to kontrola, konsekwencja i pewność . Za każdym płynnym hamowaniem kryje się równowaga między fizyką a konstrukcją materiałów.

Twoje klocki hamulcowe dbają o tę równowagę podczas każdej jazdy. Dlatego gdy nadejdzie czas ich wymiany, wybierz klocki zaprojektowane w oparciu o prawdziwe badania naukowe. Bo jeśli chodzi o siłę hamowania, potrzebujesz hamulców, którym możesz zaufać.

Odkryj klocki hamulcowe TracEdge - stworzone przez doświadczonych tajwańskich inżynierów zajmujących się projektowaniem i produkcją klocków hamulcowych dla sektora motoryzacyjnego, lokomotywowego i rolniczego!

Z ❤️,
Tim