Częstym manewrem na drodze, wykonywanym w mojej ocenie zazwyczaj przez niedoświadczonych kierowców, czasami chyba nieświadomych ryzyka, jaki on niesie, jest hamowanie samochodu poruszającego się po łuku. Bardziej doświadczeni wiedzą, że można hamować na łuku drogi, ale jest to obarczone ryzykiem utraty panowania nad pojazdem. 

Wynika to z tego, że na styku opony i nawierzchni drogi muszą działać jednocześnie dwie siły: boczna (zapewnia utrzymanie pojazdu na łuku drogi) i hamowania (dzięki niej samochód może hamować). Ich wartości są od siebie zależne i zależą od kilku czynników. Jest to temat tej części artykułu.

Współczynniki tarcia wzdłużnego i bocznego opony
Gdy koło porusza się po łuku i jest hamowane (zakładam dla uproszczenia rozważań, że siła pionowa FNK, z którą koło jest dociskane do drogi, ma wartość stałą), to:
- wartość siły hamowania koła FH zależy od wartości współczynnika tarcia wzdłużnego opony mW – linie 1, 2 i 3 na rys. 20;
- wartość siły bocznej FB zależy od wartości współczynnika tarcia bocznego opony mB – linie A i B na rys. 20;
- wartości współczynników tarcia wzdłużnego mW i bocznego opony mB zależą od współczynnika poślizgu koła PK i od kąta znoszenia bocznego koła a.

Przypomnę, że rys. 18 w części trzeciej artykułu pokazywał tylko zależność współczynnika tarcia bocznego opony mB od kąta znoszenia bocznego koła a, przy założeniu, że koło nie jest hamowane.
Z wykresu na rys. 20 wynikają następujące wnioski.
Dla zerowej wartości poślizgu koła PK:
a) wartość współczynnika tarcia wzdłużnego opony mW1 (linie 1, 2 i 3) jest równa zero, a więc wartość siły hamowania FH też jest równa zero;
b) współczynniki tarcia bocznego opony (mB1 i mB2) mają największe wartości (linie A i B), a więc gdy koło nie jest hamowane, można uzyskać największe wartości sił bocznych FB.

Dla całego zakresu wartości współczynnika poślizgu koła PK (od 0 do 100%):
a) współczynnik tarcia wzdłużnego opony uzyskuje największą wartość mW2 przy ruchu po linii prostej – wówczas można osiągnąć największą wartość siły hamowania;
b) wartości współczynnika tarcia wzdłużnego opony maleją wraz ze wzrostem kąta poślizgu bocznego koła a – patrz linie 1, 2 i 3;
c) wartości współczynnika tarcia bocznego opony rosną wraz ze wzrostem kąta poślizgu bocznego koła a – patrz linie A i B, a więc również podczas hamowania pojazdu dla zwiększenia siły bocznej konieczne jest zwiększenie kąta poślizgu bocznego koła a;
d) wartości współczynnika tarcia bocznego opony maleją wraz ze wzrostem współczynnika poślizgu koła PK – patrz linie A i B, co oznacza, że przy jeździe po łuku coraz silniejsze hamowanie powoduje zmniejszenie siły bocznej działającej na koło.

Dla współczynnika poślizgu koła równego 100% (koło zablokowane):
a) wartości współczynnika tarcia wzdłużnego opony maleją wraz ze wzrostem kąta znoszenia bocznego koła a;
b) wartości współczynnika tarcia wzdłużnego opony dla koła zablokowanego – patrz punkty mW5, mW6 i mW7, dla nawierzchni innych niż sypkie (patrz rys. 6 w części pierwszej artykułu) są mniejsze niż wartości maksymalne – odpowiednio mW2, mW3 i mW4, dlatego na tych nawierzchniach, również podczas jazdy po łuku, siła hamowania koła zablokowanego jest niższa niż maksymalna, możliwa do uzyskania;
c) współczynnik tarcia bocznego opony osiąga niewielkie wartości – patrz mB3 i mB4, bliskie wartościom współczynnika tarcia wzdłużnego opony, które występują na śniegu i lodzie (patrz rys. 6 w części pierwszej artykułu), co w praktyce uniemożliwia kierowanie samochodem.

Koło tarcia
Na styku opony i nawierzchni drogi mogą występować:
1. tylko siła hamowania lub tylko siła boczna;
2. siła boczna i siła hamowania (rys. 21a) lub alternatywnie siła boczna i napędowa (rys. 21b).

Suma każdej z par tych sił (pkt 2) jest siłą wypadkową FON, która występuje pomiędzy oponą a nawierzchnią drogi. To, z których sił składa się siła wypadkowa FON (suma siły bocznej i hamowania lub suma siły bocznej i napędowej) i jakie są ich wzajemne proporcje, ilustruje graficznie tzw. koło tarcia (rys. 21). Przyjmuje się w pewnym uproszczeniu, że maksymalna wartość siły wypadkowej FON, oznaczona FONMAX, jest jednakowa we wszystkich kierunkach działania (na powierzchni styku opony i nawierzchni drogi).
W szczególnych przypadkach, gdy:
- niehamowane koło porusza się po łuku i działa na niego maksymalna wartość siły bocznej FBMAX (kąt znoszenia bocznego ma wartość a1, dla którego współczynnik tarcia bocznego osiąga wartość maksymalną mBMAX – rys. 22c), wówczas wartość siły FBMAX jest równa sile FONMAX (rys. 22a);
- koło hamowane z maksymalną siłą FHMAX lub napędzane z maksymalną siłą FNMAX porusza się po linii prostej (współczynnik poślizgu bocznego ma wartość PK1, dla którego współczynnik tarcia wzdłużnego osiąga wartość maksymalną mWMAX – rys. 22d), wówczas wartość siły FHMAX lub FNMAX jest równa sile FONMAX (rys. 22b).

W codziennej eksploatacji samochodu wartość siły FON jest mniejsza od siły FONMAX – patrz rys. 23. Mówiąc inaczej, rzadko wykorzystujemy wartości maksymalne siły hamowania i siły bocznej.

Siła boczna a siła hamowania
Przyjrzymy się dwóm przykładom zależności pomiędzy siłami.
Przykład 1 (rys. 24) – koło samochodu porusza się najpierw po linii prostej i jest hamowane z maksymalną siłą FHMAX, a następnie porusza się po łuku.
1. Koło porusza się po linii prostej i jest hamowane z maksymalną siłą FHMAX (rys. 24a). Współczynnik tarcia wzdłużnego opony ma wartość maksymalną mWMAX (rys. 24d), przy poślizgu wzdłużnym koła PK1.
2. Z chwilą rozpoczęcia ruchu po łuku wystąpił kąt znoszenia bocznego koła a2 (rys. 24c). Gdyby koło poruszało się tylko po łuku i nie było hamowane, wówczas współczynnik tarcia bocznego opony miałby wartość mB5T (rys. 24c), ale ponieważ jest hamowane, to wartość współczynnika tarcia bocznego opony maleje od wartości mB5T do wartości mB5 (rys. 24d). Siła boczna osiąga wartość FB5 (rys. 24b).
3. Ponieważ suma sił hamowania i bocznej nie może przekroczyć wartości siły wypadkowej FONMAX, to wartość współczynnika tarcia wzdłużnego maleje od wartości mWMAX do wartości mW5 (rys. 24d). W następstwie siła hamowania maleje od wartości FHMAX do wartości FH5 (rys. 24b).

Przykład 2 (rys. 25) – koło samochodu porusza się najpierw po łuku, przy maksymalnej wartości siły bocznej FBMAX, a następnie jest hamowane.
1. Koło porusza się po łuku. Działa na nie maksymalna siła boczna FBMAX (rys. 25a). Współczynnik tarcia bocznego opony ma wartość maksymalną mBMAX (rys. 24c), przy kącie znoszenia bocznego a1.
2. Z chwilą rozpoczęcia hamowania wystąpił poślizg koła PK2 (rys. 25d). Ponieważ koło jednocześnie poruszało się po łuku przy kącie znoszenia bocznego a1, więc współczynnik tarcia wzdłużnego opony osiągnął wartość mW6 (rys. 25d). Siła hamowania osiąga wartość FH6 (rys. 25b).
3. Ponieważ suma sił hamowania i bocznej nie może przekroczyć wartości siły wypadkowej FONMAX, to wartość współczynnika tarcia bocznego maleje od wartości mBMAX do wartości mB6 (rys. 25d). W następstwie siła boczna maleje od wartości FBMAX do wartości FB6 (rys. 25b).

Fizyka a marketing
Zasad fizyki, które na styku opony i nawierzchni drogi decydują o wartościach współczynników tarcia wzdłużnego i poprzecznego, nie da się zwyciężyć. Czołowi producenci ogumienia stale poprawiają „przyczepność” opon w różnych warunkach ruchu, ale są to względnie niewielkie kroki.
Na nawierzchniach o niższych wartościach współczynników tarcia wzdłużnego mW i bocznego opony mB drogi hamowania są dłuższe, a prędkości, z którymi można pokonywać zakręty, mniejsze – koniec, kropka.
Mijają się z prawdą ci pracownicy marketingu producentów samochodów lub firm produkujących podzespoły, którzy piszą, że ich ESP całkowicie eliminuje ryzyko poślizgu. Podobnie nie ma opon, które zapewniają bezpoślizgową jazdę. Trzeba pamiętać, że taka „twórczość” może kogoś kosztować zdrowie lub nawet życie.

mgr inż. Stefan Myszkowski