Как работают тормозные колодки велосипеда: наука, лежащая в основе тормозной способности

Вы когда-нибудь задумывались, как крошечные тормозные колодки на велосипеде могут быстро остановить велосипедиста и его велосипед?

Большинство людей знают, для чего нужны тормозные колодки: они останавливают велосипед. Но мало кто понимает, как они работают на самом деле. За каждой плавной остановкой и контролируемым спуском стоит сочетание физики, инженерии и передовых материаловедов!

Давайте разберемся с научной точки зрения, что лежит в основе тормозных колодок и почему некоторые из них работают лучше других.

1. Основы: преобразование движения в тепло

Помните, на уроках естествознания мы изучали, что энергия не может быть создана или уничтожена, а только преобразована из одной формы в другую? Именно это и происходит в процессе торможения!

Когда ваш велосипед движется, у него есть кинетическая энергия — энергия движения.

Кинетическую энергию можно рассчитать следующим образом:

0,5 x масса системы x квадрат скорости.

Итак, мы видим, что полная кинетическая энергия зависит от двух переменных:

1) масса велосипедиста и велосипеда

2) скорость (насколько быстро вы движетесь).

Чем больше масса системы и/или скорость, тем больше энергия. Однако скорость оказывает огромное влияние на общую энергию, поскольку кинетическая энергия является функцией квадрата скорости.

Каждый раз, когда ваша скорость удваивается, общая кинетическая энергия увеличивается в четыре раза! Вот почему надёжное и надёжное торможение так важно для длинных спусков на велосипеде!

В гидравлических дисковых тормозах, которые в наши дни встречаются на большинстве велосипедов, при нажатии на тормозные рычаги тормозная жидкость выталкивается в:

1. Тормозной суппорт, который прижимает колодки к ротору
2. Трение между колодкой и ротором преобразует кинетическую энергию в тепловую (тепловую) энергию, потенциально даже в звуковую энергию (визг тормозов) 😖
3. Ротор и воздух вокруг него рассеивают тепло.

Это точный процесс преобразования: движение (кинетическая энергия) > трение > тепло (тепловая энергия) > велосипед останавливается.

Слишком мало трения = плохое торможение.

Слишком много тепла = снижение эффективности тормозов, засаливание тормозных колодок и даже деформация ротора!

Вот почему при проектировании тормозных колодок основное внимание уделяется контролю трения и нагрева, а не только их созданию.

2. Трение: основа тормозной силы

Тормозные колодки останавливают ваш велосипед за счет двух типов трения:

Адгезивное трение

Когда тормозная колодка прижимается к ротору во время его движения, трение и тепло переносят слой материала тормозной колодки на роторы . Это называется переносом слоя — представьте себе дорожное покрытие, когда автомобиль совершает «бёрнаут» или дрифт.

Именно этот переходный слой объясняет, почему так важно правильно притирать роторы ! Каждый велосипедист с дисковыми тормозами может подтвердить, насколько слаба тормозная сила дисковых тормозов, пока они не притерты как следует.

При торможении этот передаточный слой мгновенно сцепляется и тормозит , замедляя ваш велосипед, и является гораздо менее разрушительным по сравнению с другим типом трения, который мы рассмотрим: абразивным трением.

Абразивное трение

Это происходит, когда поверхность колодки мягко трется о ротор . Каждый раз она снимает крошечный слой материала, преобразуя энергию в тепло. Это приводит к более быстрому износу колодок и повреждению ротора, но это неизбежная цена остановки вашего мотоцикла! Энергии нужно куда-то деваться...

3. Жара: скрытый враг

При резком торможении температура на стыке колодки и ротора может достигать 250 °C !

Пример:
Велосипедист весом 75 кг и велосипед весом 9 кг, движущиеся со скоростью 40 км/ч, обладают кинетической энергией около 5185 Дж. При однократном торможении со скорости 40 км/ч до полной остановки с максимально возможной интенсивностью два тормозных диска нагреются примерно на 47 °C . Этот показатель рассчитывается с помощью фундаментального уравнения теплопередачи.

Δ Т =В/( м × с) , где:

• $Q$ – тепловая энергия (кинетическая энергия 5185 Дж),
• $m$ — масса ротора (предположительно 110 г), а
• $c$ — удельная теплоемкость материала ротора (предполагается, что это нержавеющая сталь).

Мы также предполагаем, что тормозное усилие в конечном итоге распределяется между двумя идентичными роторами и нет теплопередачи между системой воздуха и ротора.

Если изменить ситуацию, например, тормозить на скорости 50 км/ч при тех же условиях, что и раньше, то отдельные роторы нагреются на 88 °C ! Помните, что здесь не учитывается температура окружающей среды.

Мы видим, какие нагрузки приходится выдерживать роторам и тормозным колодкам, особенно при длинных и быстрых спусках или при использовании более тяжелых систем, таких как электровелосипеды.

Естественно, колодки и ротор должны правильно отводить это тепло. В противном случае возникают проблемы:

• Снижение эффективности торможения: при перегреве материал тормозных колодок теряет сцепление, что приводит к резкому падению эффективности торможения. Именно поэтому производители тормозных колодок, такие как Shimano, добавляют охлаждающие ребра на основу тормозных колодок.
• Застекление: это процесс, когда накладка слегка плавится, затвердевает и становится гладкой, что снижает сцепление.
• Деформация ротора: неравномерное тепловое расширение изгибает ротор, вызывая пульсацию или трение.

Если вы когда-либо видели, как стальные роторы желтеют/коричневеют/фиолетово-синеют, это признак того, что сталь начала окисляться, что указывает на температуру, значительно превышающую 200 °C.

4. Баланс всего: тепло, сцепление, контроль

На практике эффективность тормозной системы велосипеда определяется как трением , так и распределением тепла . Но, как и в автомобилях, велосипедные тормоза не могут создавать неограниченное усилие или выдерживать экстремальные температуры вечно.

Даже у самых лучших тормозных колодок и дисков есть пределы. Если на них надавить слишком сильно, они перегреются, покроются глянцем или потеряют форму. Но есть и другой предел: сцепление .

Какими бы мощными ни были ваши тормоза, их эффективность остановки зависит от сцепления шин с дорогой или тропой . Если тормозное усилие превышает сцепление, шины начинают скользить или теряют сцепление, что ухудшает управляемость и увеличивает тормозной путь.

Вот почему хорошая тормозная система — это не просто высокая эффективность торможения. Это баланс между:

• Создание достаточного трения для быстрой и безопасной остановки
• Управление теплом, чтобы тормоза оставались стабильными, и
• Сопоставление этой мощности со способностью шин сохранять сцепление.

С точки зрения конструкции, современные велосипедные тормоза – это компромисс. Цель – обеспечить максимальную эффективность торможения без ущерба для управляемости и устойчивости , независимо от условий – будь то сухой асфальт, рыхлый гравий или мокрые склоны.

5. Материалы тормозных колодок

Учитывая самые разные ситуации, в которых могут оказаться человек и его велосипед, производители создали ряд тормозных колодок, изготовленных из различных составов, каждый из которых больше подходит для определенных характеристик езды, чем другой.

Составы тормозных колодок могут быть составлены с использованием чрезвычайно широкого спектра соединений, поэтому каждый производитель тормозных колодок держит в секрете свой уникальный рецепт!

Чтобы узнать больше о различных используемых соединениях, нажмите здесь!

6. Заключительные мысли

Торможение — это не только сила, но и контроль, последовательность и уверенность . За каждой плавной остановкой стоит баланс физики и конструкции материалов.

Ваши тормозные колодки обеспечивают этот баланс при каждой поездке. Поэтому, когда придёт время их заменить, выбирайте колодки, разработанные с учётом настоящих научных исследований. Ведь когда речь идёт о тормозной способности, вам нужны тормоза, которым вы можете доверять.

Откройте для себя тормозные колодки TracEdge , изготовленные опытными тайваньскими инженерами, занимающимися проектированием и производством тормозных колодок для автомобильной, локомотивной и сельскохозяйственной отраслей!

С ❤️,
Тим