ผ้าเบรกจักรยานทำงานอย่างไร: วิทยาศาสตร์เบื้องหลังพลังการหยุดรถ

เคยสงสัยไหมว่าผ้าเบรกขนาดเล็กบนจักรยานของคุณสามารถหยุดผู้ขับขี่และจักรยานของพวกเขาได้อย่างรวดเร็วหรือไม่

คนส่วนใหญ่รู้ว่าผ้าเบรก ทำหน้าที่ อะไร - มันช่วยหยุดรถจักรยานของคุณ แต่มีน้อยคนนักที่จะรู้ว่ามันทำงาน อย่างไร เบื้องหลังการหยุดรถอย่างราบรื่นและการลงเขาอย่างควบคุมได้ทุกครั้ง คือการผสมผสานระหว่างฟิสิกส์ วิศวกรรมศาสตร์ และวัสดุศาสตร์อันชาญฉลาด!

มาดูหลักวิทยาศาสตร์เบื้องหลังผ้าเบรกกันดีกว่าว่าอะไรทำให้ผ้าเบรกบางชนิดมีประสิทธิภาพดีกว่าชนิดอื่น

1. พื้นฐาน: การเปลี่ยนการเคลื่อนที่เป็นความร้อน

จำได้ไหมตอนเรียนวิทยาศาสตร์ที่เราเรียนกันว่าพลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ มีเพียงการแปลงจากรูปแบบหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่งเท่านั้น นั่นคือสิ่งที่เกิดขึ้นในกระบวนการเบรก!

เมื่อจักรยานของคุณเคลื่อนที่ มันจะมี พลังงานจลน์ ซึ่งก็คือพลังงานแห่งการเคลื่อนที่

พลังงานจลน์สามารถคำนวณได้จาก:

0.5 x มวลของระบบ x กำลังสองของความเร็ว

ดังนั้นเราจะเห็นว่าพลังงานจลน์รวมขึ้นอยู่กับตัวแปร 2 ตัว:

1) มวลของผู้ขับขี่และจักรยาน

2) ความเร็ว (คุณกำลังเดินทางด้วยความเร็วเท่าใด)

ยิ่งมวลของระบบและ/หรือความเร็วหนักขึ้น พลังงานก็จะยิ่งมากขึ้น อย่างไรก็ตาม ความเร็วมีผลกระทบอย่างมากต่อพลังงานรวม เนื่องจากพลังงานจลน์เป็นฟังก์ชันของกำลังสองของความเร็ว

ทุกครั้งที่ความเร็วของคุณเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า พลังงานจลน์รวมจะเพิ่มขึ้นสี่เท่า! นี่คือเหตุผลว่าทำไมการเบรกที่มั่นคงและเชื่อถือได้จึงเป็น สิ่งสำคัญ สำหรับการขี่ลงเขายาวๆ!

สำหรับดิสก์เบรกแบบไฮดรอลิกซึ่งพบเห็นได้ทั่วไปในจักรยานส่วนใหญ่ในปัจจุบัน เมื่อคุณดึงก้านเบรก สิ่งนี้จะดันน้ำมันเบรกไปที่:

1. คาลิปเปอร์เบรกซึ่งทำหน้าที่ดันผ้าเบรกให้แนบกับจานเบรก
2. แรงเสียดทานระหว่างแผ่นเบรกและโรเตอร์ จะแปลงพลังงานจลน์เป็นพลังงานความร้อน ซึ่งอาจรวมถึงพลังงานเสียงด้วย (เสียงเบรกดังเอี๊ยด) 😖
3. โรเตอร์และอากาศรอบๆ ทำหน้าที่ระบายความร้อน

เป็นกระบวนการแปลงที่แม่นยำ: การเคลื่อนที่ (พลังงานจลน์) > แรงเสียดทาน > ความร้อน (พลังงานความร้อน) > จักรยานหยุด

แรงเสียดทานน้อยเกินไป = การเบรกไม่ดี

ความร้อนมากเกินไป = เบรกเฟด ผ้าเบรกเป็นคราบ และจานเบรกโก่งงอ!

นี่คือสาเหตุที่การออกแบบผ้าเบรกมุ่งเน้นไปที่การควบคุมแรงเสียดทานและความร้อน ไม่ใช่แค่สร้างมันขึ้นมา

2. แรงเสียดทาน: รากฐานของพลังเบรก

ผ้าเบรกจะหยุดจักรยานของคุณผ่านแรงเสียดทานสองประเภท:

แรงเสียดทานของกาว

เมื่อผ้าเบรกกดทับจานเบรกขณะที่จานเบรกกำลังเคลื่อนที่ แรงเสียดทานและความร้อนจะถ่ายเทชั้นวัสดุผ้าเบรกไปยังจานเบรก ชั้นนี้เรียกว่าชั้นถ่ายโอน ลองนึกภาพพื้นผิวถนนเมื่อรถเกิดการเบิร์นหรือดริฟท์

ชั้นถ่ายโอนนี้เป็นสาเหตุว่าทำไมการ ใส่โรเตอร์ให้เข้าที่อย่างถูกวิธีจึง สำคัญมาก! นักปั่นทุกคนที่ใช้ดิสก์เบรกจะยืนยันได้ว่าพลังเบรกของดิสก์เบรกนั้นอ่อนแค่ไหน จนกว่าจะใส่เข้าที่อย่างถูกวิธี

ในขณะเบรก ชั้นถ่ายโอนนี้จะยึดเกาะและเบรกชั่วขณะ ทำให้จักรยานของคุณช้าลงและสร้างความเสียหายน้อยกว่ามากเมื่อเทียบกับแรงเสียดทานอีกประเภทหนึ่งที่เราจะกล่าวถึง: แรงเสียดทานแบบเสียดสี

แรงเสียดทานจากการเสียดสี

สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อ พื้นผิวของผ้าเบรกเสียดสีกับโรเตอร์เบาๆ แต่ละครั้งจะขจัดชั้นวัสดุเล็กๆ ออกไป เปลี่ยนพลังงานเป็นความร้อน ส่งผลให้ผ้าเบรกสึกหรอเร็วขึ้นและโรเตอร์เสียหาย แต่นี่คือต้นทุนที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของการหยุดจักรยาน! พลังงานนี้ต้องถูกนำไปใช้ที่ไหนสักแห่ง...

3. ความร้อน: ศัตรูที่ซ่อนเร้น

ในระหว่างการเบรกอย่างแรง อุณหภูมิที่ส่วนต่อประสานระหว่างผ้าเบรกและจานเบรกอาจสูงถึง 250 °C !

ตัวอย่าง:
นักปั่นน้ำหนัก 75 กิโลกรัม + จักรยานหนัก 9 กิโลกรัม ที่ความเร็ว 40 กิโลเมตรต่อชั่วโมง จะสูญเสียพลังงานจลน์ประมาณ 5,185 จูล ในการเบรกจากความเร็ว 40 กิโลเมตรต่อชั่วโมงจนหยุดสนิทอย่างแรงที่สุดครั้งหนึ่ง จานเบรกทั้ง 2 ชิ้นจะร้อนขึ้นประมาณ 47 องศาเซลเซียส ซึ่งคำนวณโดยใช้สมการการถ่ายเทความร้อนพื้นฐาน

Δ T =คิว/( ม × ค) , ที่ไหน:

• $Q$ คือพลังงานความร้อน (พลังงานจลน์ 5185J)
• $m$ คือมวลของโรเตอร์ (สมมติว่าเป็น 110 กรัม) และ
• $c$ คือความจุความร้อนจำเพาะของวัสดุโรเตอร์ (สมมติว่าเป็นสแตนเลส)

นอกจากนี้ เรายังถือว่า แรงเบรกจะถูกกระจายไปยังโรเตอร์ที่เหมือนกัน 2 ตัวในที่สุด และไม่มีการถ่ายเทความร้อนระหว่างอากาศและระบบโรเตอร์

ลองเปลี่ยนเรื่องดู เช่น สมมติว่าเราเบรกที่ความเร็ว 50 กม./ชม. ในสภาพเดิมๆ โรเตอร์แต่ละตัวจะร้อนขึ้น 88 องศาเซลเซียส แทน! จำไว้ว่า นี่ยังไม่รวมอุณหภูมิแวดล้อมด้วย

เราจะเห็นได้ว่าโรเตอร์และผ้าเบรกต้องทนทานต่อแรงกระแทกมากเพียงใด โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องลงทางลาดชันที่ยาวและรวดเร็ว หรือในระบบที่หนักกว่า เช่น eBikes

โดยธรรมชาติแล้ว แผ่นเบรกและโรเตอร์จะต้องจัดการกับความร้อนนี้อย่างเหมาะสม หากไม่เป็นเช่นนั้น ปัญหาจะเริ่มเกิดขึ้น:

• เบรกเฟด: เมื่อเบรกร้อนเกินไป ผ้าเบรกจะสูญเสียแรงเสียดทาน ส่งผลให้กำลังเบรกลดลงอย่างกะทันหัน นี่คือเหตุผลที่ผู้ผลิตผ้าเบรกอย่าง Shimano ได้เพิ่มครีบระบายความร้อนไว้บนแผ่นรองผ้าเบรก
• การเคลือบ: เกิดขึ้นเมื่อแผ่นละลายเล็กน้อย แข็งตัว และเรียบเนียนขึ้น ส่งผลให้การยึดเกาะลดลง
• การบิดเบี้ยวของโรเตอร์: การขยายตัวของความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอทำให้โรเตอร์งอ ทำให้เกิดการเต้นเป็นจังหวะหรือการเสียดสี

หากคุณเคยเห็นโรเตอร์เหล็กเปลี่ยนเป็นสีเหลือง/น้ำตาล/ม่วง/น้ำเงิน นั่นเป็นสัญญาณว่าเหล็กเริ่มเกิดออกซิเดชัน ซึ่งบ่งบอกถึงอุณหภูมิสูงกว่า 200 °C

4. การสร้างสมดุลทั้งหมด: ความร้อน การยึดเกาะ และการควบคุม

ในทางปฏิบัติ ทั้ง แรงเสียดทาน และ การจัดการความร้อน เป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพของระบบเบรกของจักรยาน แต่เช่นเดียวกับรถยนต์ เบรกจักรยานไม่สามารถสร้างแรงเบรกได้ไม่จำกัดหรือทนต่ออุณหภูมิสุดขั้วได้ตลอดไป

แม้แต่ผ้าเบรกและจานเบรกที่ดีที่สุดก็ยังมีขีดจำกัด หากเบรกแรงเกินไป เบรกอาจร้อนจัด ลื่นไหล หรือซีดจางได้ แต่ยังมีขีดจำกัดอีกอย่างหนึ่ง นั่นคือ แรงยึดเกาะ

ไม่ว่าเบรกของคุณจะทรงพลังแค่ไหน เบรกก็จะหยุดได้อย่างมีประสิทธิภาพก็ต่อเมื่อ ยางยึดเกาะถนนหรือเส้นทางได้ดีเท่านั้น หากแรงเบรกเกินแรงฉุด ยางจะลื่นไถลหรือสูญเสียการยึดเกาะ ซึ่งจะลดการควบคุมและเพิ่มระยะเบรก

นั่นคือเหตุผลที่ระบบเบรกที่ดีไม่ได้มีแค่พลังเบรกที่แรงเท่านั้น แต่ยังรวมถึง ความสมดุล ระหว่าง:

• สร้างแรงเสียดทานเพียงพอที่จะหยุดได้อย่างรวดเร็วและปลอดภัย
• การจัดการความร้อนเพื่อให้เบรกคงที่และ
• การจับคู่พลังนั้นกับความสามารถในการยึดเกาะของยาง

จากมุมมองด้านการออกแบบ เบรกจักรยานสมัยใหม่เน้นไปที่การแลกเปลี่ยนนี้ เป้าหมายคือการมอบ ประสิทธิภาพการเบรกสูงสุดโดยไม่สูญเสียการควบคุมหรือเสถียรภาพ ไม่ว่าจะอยู่ในสภาวะใด ไม่ว่าจะเป็นยางมะตอยแห้ง กรวดหลวม หรือทางลงเขาที่เปียก

5. วัสดุของผ้าเบรก

เนื่องด้วยสถานการณ์ที่หลากหลายที่ผู้ใช้รถและจักรยานของตนอาจพบเจอ ผู้ผลิตจึงได้ผลิตผ้าเบรกหลายแบบที่ประกอบด้วยสารประกอบที่แตกต่างกัน โดยแต่ละประเภทจะเหมาะกับลักษณะการขับขี่บางอย่างมากกว่าประเภทอื่น

สารประกอบผ้าเบรกสามารถผลิตได้โดยใช้สารประกอบที่มีความหลากหลายมาก นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมผู้ผลิตผ้าเบรกทุกคนจึงปกป้องสูตรเฉพาะของตน!

หากต้องการอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับสารประกอบทั่วไปที่แตกต่างกันที่ใช้ คลิกที่นี่!

6. ความคิดสุดท้าย

การเบรกไม่ได้ขึ้นอยู่กับแรงเพียงอย่างเดียว แต่ขึ้นอยู่กับ การควบคุม ความสม่ำเสมอ และความมั่นใจ เบื้องหลังการเบรกที่ราบรื่นทุกครั้ง คือความสมดุลระหว่างหลักฟิสิกส์และการออกแบบวัสดุ

ผ้าเบรกของคุณช่วยรักษาสมดุลทุกครั้งที่คุณขับขี่ ดังนั้นเมื่อถึงเวลาเปลี่ยนผ้าเบรก จึงควรเลือกผ้าเบรกที่ออกแบบโดยอิงหลักวิทยาศาสตร์อย่างแท้จริง เพราะเมื่อพูดถึงพลังการเบรก คุณต้องการเบรกที่ไว้ วางใจได้

ค้นพบ ผ้าเบรก TracEdge ผลิตโดยวิศวกรชาวไต้หวันที่มีประสบการณ์ซึ่งมีส่วนร่วมในการออกแบบและผลิตผ้าเบรกสำหรับยานยนต์ หัวรถจักร และภาคเกษตรกรรม!

ด้วย ❤️,
ทิม