ΤΡΟΧΟΙ PART I

Μέχρι τα αυτοκίνητα να γίνουν ιπτάμενα...

...μοιραία θα τσουλάνε πάνω στους φίλτατους τροχούς. Μοιραία θα παθαίνουμε κλαταρίσματα και θα ισιώνουμε στεφάνια από επαφές τρίτου τύπου με πεζοδρόμια μέχρι να εδραιωθούν στην αγορά οι ιπτάμενοι δίσκοι, αλλά από την άλλη μέχρι τότε θα έχουμε την ευχαρίστηση να οσμιζόμαστε αγνή παρθένα λαστιχίλα, να ακούμε τσιρίγματα από το πέλμα στο όριο της πρόσφυσης και να συζητάμε ώρες ολόκληρες για το πιο σχέδιο μπράτσου ζάντας θα επιλέξουμε για το καμάρι μας. Δεν υπάρχει καμία αμφιβολία γενικώς πως τα περί τροχών τεχνικά θέματα είναι από τα πιο «αμφιλεγόμενα» ανάμεσα στις συνήθεις σχετικές κουβέντες των αυτοκινητόφιλων, είτε αυτοί είναι κοντράκηδες, είτε είναι στροφάκηδες, είτε απλά είναι υποψιασμένοι. Ο καθένας δείχνει να έχει μια διαφορετική θεωρία σε πολλές από τις παραμέτρους που άπτονται του ευρύτερου αντικειμένου, ενώ συχνότατα θα ακούσετε ακόμα και ανθρώπους πραγματικά σχετικούς με το άθλημα της αυτοκίνησης, που ξέρουν τι τους γίνεται, να έχουν εντούτοις παντελώς αντιδιαμετρικές θέσεις.

Λογικά λοιπόν αρχίζει κάποιος να διερωτάται που αρχίζει το υποκειμενικό και που το αντικειμενικό μέρος όλης αυτής της τροχο-συζήτησης: πόσο και γιατί επηρεάζει τελικά η πίεση των ελαστικών μια καλή εκκίνηση και πόσο θα μας κόψει ή θα μας δώσει τελική βαθιά στο κοντέρ? Σε τι βαθμό αξίζει να τα σκάσεις χοντρά για μία ελαφρύτερη ζάντα ή μήπως το αισθητικό κομμάτι είναι αυτό που εν τέλει αξίζει μόνο να μας απασχολεί? Αν καταλήξουμε να βάλουμε μεγαλύτερους και φαρδύτερους τροχούς, κερδίζουμε ρεαλιστικά παντού και πάντα ή ψυχολογικά και μόνο ξεγελάμε τη πάρτη μας ανεβάζοντας τα εγκεφαλικά και μόνο G μας? Ότι κερδίζουμε σε κατανάλωση καυσίμου το χάνουμε σε πρόσφυση ή υπάρχει και χρυσή τομή που όλοι πάνε σπίτια τους ευχαριστημένοι?

Αυτά και άλλα πολλά θα προσπαθήσουμε να αποσαφηνίσουμε αλλά και να σας τροφοδοτήσουμε με τροφή για περαιτέρω σκέψη ανάλογα με τις ανάγκες και τα γούστα σας στην σειρά των Know How που ξεκινάμε αυτό το μήνα με το παρόν. Δεθείτε, κρατηθείτε γερά και πάμε να τροχοδρομήσουμε, good old Know How is back…

 Παλιά εφεύρεση σίγουρα, αλλά από πότε τελικά?!

Χρησιμοποιούμε συχνά πυκνά στη καθομιλούμενη την φράση «καλά τι νομίζει αυτός, ότι ανακάλυψε το τροχό?», αλλά έχουμε ποτέ σκεφτεί τελικά ποιος όντως ήταν αυτός που σκέφτηκε πρώτος να ομαλοποιήσει την περιφέρεια ενός άναρχου σχηματικά αντικειμένου για να το τσουλήσει ευκολότερα?

Πρόσφατες μελέτες μέσω ραδιοχρονολόγησης ραδιενεργού άνθρακα-14 έδειξαν ότι αυτός που σμίλευσε για πρώτη φορά κυκλική ρόδα ήταν ο αυστραλοπίθηκος - ξαδερφοκούμπαρος του Chuck Norris. Παρντόν? Δεν έχει και τόσο νόημα αλλά και αποτέλεσμα η αναζήτηση γύρω από το πώς, ποίος ή πότε ανακάλυψε τη χρησιμότητα ενός καθ’ αυτού κυκλικού κυλινδρικού εξαρτήματος για χρήση του ως κάποιου είδους εργαλείο, αφού προφανώς και ταυτόχρονα ανά το κόσμο όλοι οι πρώτοι πρόγονοι του σύγχρονου ανθρώπου παρατηρούσαν ένα φαγωμένο κρανίο να τσουλάει στο κατήφορο, μία καρύδα να κυλάει στη σπηλιά τους ή ένα κάστορα να σπρώχνει κορμούς.

Πιο πολύ πρακτικό ενδιαφέρον έχει να ψάξει κάποιος ποια ήταν η πρώτη «Power» χρήση του τροχού, δηλαδή ως ενεργό εξάρτημα οχήματος, πρωτόγονης φυσικά αρχικά μορφής και όχι κινούμενης από βόδι, ποδηλάτη ή biturbo V12. Οι περισσότερες ενδείξεις συγκλίνουν στο ότι ως τέτοιου είδους εφεύρεση ο τροχός πρωτοχρησιμοποιήθηκε κατά την Νεολιθική Περίοδο, κατά το 10.000 π.Χ. χοντρικά δηλαδή, αρχικά ως μέσο υποβοήθησης καλλιέργειας στη γεωργία και την κτηνοτροφία. Ο τροχός ήταν ο βασικός μοχλός κυριολεκτικά και μεταφορικά λοιπόν που οδήγησε τον άνθρωπο στην μετάβαση και στην άνθιση τεχνολογικά του πολιτισμού της Εποχής του Χαλκού κατά την 3^ης χιλιετίας π.Χ.

Οι παλαιότερες χειροπιαστές αποδείξεις χρήσης τροχήλατων οχημάτων που έχουμε στα χέρια μας είναι από την 4^η π.Χ. χιλιετία, τόσο από τους Μεσοποτάμιους, όσο και από την ευρωπαϊκή ήπειρο, ενώ ανάμεσα στο 2000-1000 π.Χ. έχουμε την εμφάνιση των πρώτων ιππήλατων αρμάτων  με ακτινωτούς τροχούς και τους αντίστοιχους –απαραίτητους- εμπρός και πίσω άξονες. Στη συνέχεια έχουμε ένα χρονικά τεράστιο διάστημα στασιμότητας στο θέμα της εξέλιξης του τροχού, όπου οι ακτινωτοί τροχοί, είτε στη ξύλινη είτε στη σιδερένια εκδοχή τους, πολύ απλά έμειναν πρακτικά απαράλλαχτοι μέχρι τα τέλη του 19^ου (μ.Χ.!) αιώνα όπου ο homo sapiens, μετά από αδιάλειπτα λουμπάγκο αιώνων, ανακάλυψε επιτέλους τα πνευματικά ελαστικά.

Τα προαναφερθέντα «κενά» στην εξέλιξη, δεν ήταν πάρα απόρροια της έλλειψης σοβαρού από πλευράς ποιότητας οδικού δικτύου ανά γεωγραφική περιοχή και πολιτισμό: όπως θα υπεραναλύσουμε παρακάτω ο τροχός δεν είναι παρά το ένα μισό του «γάμου» που απαρτίζει τον πυρήνα του ενδιαφέροντος μας, το άλλο είναι το οδόστρωμα. Από τη στιγμή τώρα που είχαμε στα χέρια μας 1^ον αξιόπιστα και χρηστικά ελαστικά και 2^ον ποιοτικά «αποδεκτό» οδικό δίκτυο, οι εξελίξεις στο θέμα «ρόδα» καθ’ όλο τον τελευταίο αιώνα ήταν καταιγιστικές. Φτάνουμε στο 2012, τη νέα εποχή PowerTechniques και τις 20άρες carbon, που όπως πάει η τάση σε λίγο θα φοράνε από το εργοστάσιο τα οικογενειακά 1400άρια σεντάν...

 Σε τροχούς ή σε ...τάκους?!

Ο τροχός από μόνος του τυπικά δεν απαντάται στην βιβλιογραφία ως «μηχανισμός»: πρέπει να τον παντρέψουμε με έναν άξονα μέσω άκρου / εδράνου για να μπορέσει να πάρει σφραγίδα της «μηχανής με παπά και κουμπάρο». Καλά τώρα όλα αυτά που θα πούμε παρακάτω για ιδανικά βάρη, ελάχιστες μάζες κτλ., όμως δεν πρέπει πρωταρχικά να ξεχνάμε πως όλες οι σχεδιαστικές και κατασκευαστικές μέθοδοι βελτιστοποίησης των δυναμικών χαρακτηριστικών του τροχού από πλευράς «επιδόσεων», θα πρέπει να λαμβάνουν υπόψιν και όλες τις βασικές «αρμοδιότητες» του τροχού του αυτοκινήτου: αρμοδιότητες οι οποίες δεν μπορούν να παρακαμφθούν και όσο η γη γυρίζει θα αποτελούν «βραχνά» στον αγώνα για την ιδανική ζάντα ή το ιδανικό ελαστικό.

Κατ’ αρχήν οι τροχοί θα πρέπει να διαθέτουν την απαραίτητη εκείνη βασική αντοχή (συμπεριλαμβανόμενων των καθ΄ όλα σεβαστών εκάστοτε συντελεστών ασφαλείας) ώστε να μπορούν να γίνουν αποδέκτες και στη συνέχεια μεταφορείς όλων των βασικών τάσεων που μοιραία ασκούνται πάνω τους: το βάρος του αυτοκινήτου και του όποιου φορτίου του, την (πολλαπλασιασμένη από το σύστημα μετάδοσης) στρεπτική ροπή του κινητήρα, τις αντίστοιχες αντίρροπες δυνάμεις πέδησης από το σύστημα φρένων και τέλος τις όποιες τάσεις προέρχονται από τα άκρα μέσω του συστήματος διεύθυνσης. Βάλτε στο παιχνίδι τη αντίστοιχη κεντρομόλο που πρέπει να παρέχουν ώστε να ρεφάρουν την φυγόκεντρο τόσο της ιδίας τους της περιστροφής όσο και αυτής ολόκληρου του οχήματος σε οποιοδήποτε σενάριο με μη μηδενικά πλευρικά G, και το παζλ δυσκολεύει περαιτέρω.

Δεύτερη βασική δομική απαίτηση (η οποία σε ελληνικούς δρόμους αυτομάτως έχει κάθε νόμιμο δικαίωμα να προαχθεί σε πρώτη τη τάξει!) είναι αντοχή σε κρουστική καταπόνηση ή, για να το πούμε ακόμα πιο λιανά, να αντέχουν πεζοδρόμια, καπάκια υπονόμων, λακκούβες, πέτρες και λοιπές πηγές καταπόνησης εκτός του φυσιολογικού φακέλου λειτουργίας που αναφέραμε παραπάνω. Το τελευταίο απαιτεί πολύ μαγκιόρικο συνδυασμό ελαχιστοποίησης της ψαθυρότητας και μεγιστοποίησης της σκληρότητας της ζάντας, δύο έννοιες που η τεχνολογία κατεργασίας υλικών ανέκαθεν πάλευε να παντρέψει μιας και εκ φύσεως της μικροδομής των μετάλλων το ένα πολεμάει το άλλο.

Από πλευράς διαστάσεων τώρα, ο κάθε κατασκευαστής οφείλει να λάβει υπόψη κατά την διαστασιολόγηση του τροχού τις όποιες χωροταξικές ανάγκες των υπόλοιπων άμεσα εμπλεκόμενων υποσυστημάτων (αμάξωμα, φρένα, ανάρτηση), όμως στην προσπάθεια του αυτή δεν έχει τελείως λυμένα τα χέρια του ούτε από πλευράς σχεδιασμού: ακόμα κι αφήνοντας το αισθητικό κομμάτι τελείως στην άκρη για την ώρα, ο σχεδιασμός του τροχού είναι υποχρεωμένος να ακολουθεί τόσο καθαρά δυναμικές παραμέτρους (ζυγοστάθμιση περιστρεφόμενων μαζών) όσο και εργονομικές επιταγές (εύκολο βάλε-βγάλε όχι μόνο στα πιτς της Μόντσα αλλά και από τη κύρα-Σούλα στο σκοτεινό παράδρομο της Αθηνών-Κορίνθου).

Ας προχωρήσουμε τώρα στο πρώτο βήμα της ακτινογραφίας ενός τροχού που είναι το βάρος του: πως αλληλεπιδρά ως μέγεθος με το αντίστοιχο ολόκληρου του οχήματος, πως αυτό κατανέμεται συνολικά απάνω στον ίδιο τον τροχό και ποια η επίδραση όλων αυτών στα χαρτιά αλλά και επί του πρακτέου?

Φερόμενες και μη φερόμενες μάζες

Έχετε σίγουρα ακούσει τους παραπάνω όρους αλλά τι ακριβώς αντιπροσωπεύουν και ποιός ακριβώς ο λόγος του εν λόγω διαχωρισμού των μαζών του οχήματος μας σε δύο «υποομάδες»? Σε όλα τα οχήματα που διαθέτουν κάποια διάταξη ανάρτησης κατατάσσουμε τη μάζα τους σε «φερόμενη» (ή «αναρτημένη») και σε μη φερόμενη (ή «μη αναρτημένη»).

Ως φερόμενη μάζα ορίζουμε αυτή που στηρίζεται (φέρεται) από την ανάρτηση και άνω (τη μάζα δηλαδή που δέχεται τις όποιες δυνάμεις από το δρόμο αφού πρώτα αυτές φιλτραριστούν από την ανάρτηση) και η οποία περιλαμβάνει το αμάξωμα / πλαίσιο, τον κινητήρα, το εκάστοτε φορτίο επιβατών / αποσκευών και όλα τα υπόλοιπα «εσωτερικά» μηχανικά και ηλεκτρικά υποσυστήματα που στηρίζονται στο αμάξωμα.

Μη φερόμενη μάζα είναι εκείνη η οποία δέχεται τις δυνάμεις του δρόμου πριν αυτές περάσουν από την διάταξη της ανάρτησης και περιλαμβάνει πρωτίστως το αντικείμενο του ενδιαφέροντος μας που είναι οι τροχοί και ότι εφάπτεται σε αυτούς άμεσα ή έμμεσα πριν την ανάρτηση (φρένα, μουαγιέ / άκρο / ρουλεμάν τροχού).

Εκτός από τα προαναφερθέντα εξαρτήματα τώρα που ανήκουν καθολικά είτε 100% στην φερόμενη είτε 100% στην μη φερόμενη μάζα, έχουμε και αυτά που βρίσκονται στην «μέση», δηλαδή αυτά των οποίων τη μάζα μπορούμε να θεωρήσουμε σε ένα ποσοστό της φερόμενη και στο υπόλοιπο μη φερόμενη. Σε αυτά ανήκουν κατά βάση τα εξαρτήματα που διαθέτουν έδραση από την μία τους πλευρά σε φερόμενες μάζες ενώ από την άλλη τους πλευρά στηρίζονται σε μη φερόμενη μάζα: εδώ ανήκουν η ανάρτηση καθαυτή (π.χ. το γόνατο αμορτισέρ / ελατηρίου που βρίσκεται μεταξύ θόλου και άκρου), τα ψαλίδια και τα  λοιπά είδη βραχιόνων της ανάρτησης, τα ημιαξόνια (άκρο από την μία – διαφορικό από την άλλη) και τέλος, σε αυτοκίνητα χωρίς ανεξάρτητη ανάρτηση, ολόκληρος ο άξονας έδρασης μεταξύ π.χ. γέφυρας και τροχών. Ανάλογα με την ακριβή διάταξη της ανάρτησης και μετάδοσης κάθε οχήματος, στους υπολογισμούς μας κατανέμουμε την μάζα τους με διαφορετικά ποσοστά σε φερόμενη και μη φερόμενη, αλλά με σχετικά καλή προσέγγιση είθισται να κόβουμε το καρπούζι στη μέση και να υπολογίζουμε από 50% μεταξύ φερόμενων / μη φερόμενων.

Το μέγεθος της μη φερόμενης μάζας επηρεάζει ευθέως τόσο τις  κινήσεις των τροχών ως προς το αμάξωμα και τον έλεγχο αυτών από την ανάρτηση (δηλαδή τελικά τη δυνατότητα των τροχών να «ακολουθούν» πιστά τις ανωμαλίες του τερέν ή να χοροπηδάνε στον αέρα) όσο και τις αντίστοιχες δυνάμεις και καταπονήσεις που προκαλούν τις μετατοπίσεις αυτές (ταλαντώσεις - κραδασμοί – συντονισμοί από και προς το αμάξωμα μέσω της ανάρτησης). Ως γνωστόν από το Γυμνάσιο: δύναμη = μάζα x επιτάχυνση, και έτσι δεδομένου πως η επιτάχυνση του τροχού ακολουθεί κατά βάση τις ανωμαλίες του οδοστρώματος, προκύπτει ότι όσο μικρότερη είναι η μη φερόμενη μάζα τους, τόσο μικρότερες δυνάμεις θα ασκηθούν στις αναρτήσεις και κατ’ επέκταση στο αμάξωμα και τον ποπό μας. Αξίζει να αναφέρουμε τέλος πως κατά την δυναμική μοντελοποίηση ενός οχήματος, εκτός από τα «χειροπιαστά» γνωστά μας αμορτισέρ και ελατήρια της ανάρτησης, θεωρούμε πως υπάρχει και ένα δεύτερο ζεύγος φορέα απόσβεσης και φορέα ελαστικότητας («αμορτισέρ-ελατηρίου» δηλαδή), αυτό του ελαστικού καθαυτού: θεωρούμε δηλαδή πως ανάμεσα στο δρόμο και την μάζα του τροχού, το ίδιο το ελαστικό συμπεριφέρεται σαν ένα μικρότερο ελατήριο και αμορτισέρ των οποίων τα χαρακτηριστικά επηρεάζουν άμεσα το όλο μοντέλο μας. Το γεγονός αυτό επεξηγεί τόσο τον βαθμό άνεσης που προσφέρει το κάθε ελαστικό ανά τύπο οδοστρώματος όσο και τα ενεργειακά χαρακτηριστικά του (υπερθέρμανση, κατανάλωση καυσίμου), περισσότερα επί αυτού όμως σε επόμενη, ειδικά αφιερωμένη στα ελαστικά, συνέχεια... 

Από τη θεωρία στο δρόμο

Ας δούμε όμως πιο αναλυτικά στη πράξη τι τελικά σημαίνουν όλα αυτά σε σχέση με την οδηγική συμπεριφορά του οχήματος. Το εύρος της κίνησης του τροχού κατά το πέρασμα από σχετικά μικρές ανωμαλίες του οδοστρώματος είναι αντιστρόφως ανάλογο με τη μάζα του: μία ελαφριά ρόδα με την μικρή αδράνεια που φέρει, μπορεί να ακολουθήσει άμεσα και πιστά τις ανωμαλίες του οδοστρώματος και επομένως, μη χάνοντας επαφή με αυτό, να διατηρεί συνεχώς την πρόσφυση της. Από πλευράς κρατήματος λοιπόν και ξεχνώντας για λίγο την άνεση, αυτός είναι ο λόγος που οι ελαφρύτεροι τροχοί επηρεάζουν θετικά τα επίπεδα πρόσφυσης. Από την άλλη, ένας βαρύτερος και περισσότερο δυσκίνητος τροχός θα μεταφέρει περισσότερη καταπόνηση στην ανάρτηση, αφού αυτή θα πρέπει να αποσβέσει την μεγαλύτερη κινητική ενέργεια που η αυξημένη μάζα επιφέρει (και θα πρέπει να μετατραπεί σε δυναμική ενέργεια μέσα στο ελατήριο), με αποτέλεσμα να επηρεάζεται αρνητικά τόσο η γεωμετρία της όσο και το επίπεδο άνεσης στη καμπίνα όταν οι κραδασμοί περάσουν στη συνέχεια στη φερόμενη μάζα του αμαξώματος. Σε περίπτωση δε που, πέραν των άλλων,  το όχημα ταυτόχρονα βρίσκεται σε κατάσταση έντονων επιταχύνσεων ή επιβραδύνσεων με συνεχή βυθίσματα και ανασηκώσεις των μη φερόμενων μαζών των αξόνων (“pitch”), μία αυξημένη συνολική μη φερόμενη μάζα θα επηρεάσει αρνητικά εκτός από την πρόσφυση και τον έλεγχο του αυτοκινήτου εξαιτίας της αυξημένης πιθανότητας εμφάνισης  συντονισμού και αναπηδήσεων στον κατακόρυφο άξονα (“wheel hop”).

Εκτός από το μέγεθος της μη φερόμενης μάζας σαν απόλυτο νούμερο -και δεδομένου ότι αναλόγως της χρήσης που προορίζεται το κάθε όχημα υπάρχουν όρια στο πόσο ελαφρύ μπορούμε να κάνουμε το τροχό- εξόχως σημαντικός είναι και ο λόγος της φερόμενης προς την μη φερόμενη μάζα: όσο αυτός μεγαλώνει, τόσο εξασθενημένες φτάνουν οι ανωμαλίες του δρόμου στη καμπίνα, αφού για δεδομένους τροχούς αυξάνει και η μάζα του αμαξώματος που θα μπορεί να απορροφήσει την προερχόμενη από τη μη φερόμενη μάζα ενέργεια. Σε πολύ ελαφριά οχήματα λοιπόν όπως τα διάφορα track-daycars, το μέγεθος της μη φερόμενης μάζας αποκτά ακόμα πιο αυξημένη βαρύτητα.

Ο Παλουκωτής των Αλόγων: μάζα και ροπή αδρανείας τροχών

Είδαμε πως επηρεάζει η μάζα των τροχών το κράτημα και την άνεση, πάμε να δούμε τώρα τι επίδραση έχει και στο φετίχ του κοντράκια, τις επιδόσεις. Ο κλάδος της φυσικής που ονομάζεται κινηματική, χωρίζει τις κινήσεις των στερεών σωμάτων σε 3 είδη: την μεταφορική (το κέντρο βάρους μετακινείται χωρίς να γυρνάει το σώμα γύρω από αυτό), την περιστροφική (το σώμα περιστρέφεται γύρω από το κέντρο βάρους του χωρίς αυτό όμως να μετακινείται) και την μεικτή (το σώμα περιστρέφεται και μετακινείται ταυτόχρονα). Ένα πιάνο που πέφτει από τον 4^ο όροφο χωρίς να στριφογυρίζει στον αέρα κάνει μεταφορική κίνηση, μία προπέλα ντακότας, πριν αυτή ξεκινήσει από το υπόστεγο της, κάνει περιστροφική και ένα σωστά αμολημένο φρίσμπι στη παραλία κάνει μεικτή κίνηση.

Κάποιοι θα έχετε ήδη πιάσει την αντιστοιχία όσον αφορά τα δικά μας «χωράφια»: σε ένα αυτοκίνητο που κινείται, το αμάξωμα κάνει μεταφορική κίνηση και οι ρόδες μεικτή, ενώ σε ένα αυτοκίνητο που κάνει burn-out μένοντας στη θέση του, οι τροχοί κάνουν περιστροφική και τέλος. Το γεγονός ότι κατά την κίνηση του οχήματος οι τροχοί κάνουν μεικτή κίνηση, ενώ το αμάξωμα απλή μεταφορική, είναι η αιτία που σε επιδόσεις επιτάχυνσης έχουμε μεγαλύτερο κέρδος αν ελαφρύνουμε τους τροχούς κατά x κιλά από ότι θα είχαμε αν αφαιρούσαμε τα ίδια κιλά στο αμάξωμα. Πιο συγκεκριμένα, ως προς το μεν αμάξωμα, η ισχύς του κινητήρα μετατρέπεται σε μεταφορική κινητική ενέργεια μόνο, ενώ ως προς τους τροχούς σε μεταφορική και περιστροφική κινητική ενέργεια σύμφωνα με τα εξής:

 (1) Εκ = 1/2 xmxυ^2

(2) Επ = 1/2 xJx(υ/R)^2

(3) J = 1/2 xmx (R^2 + r^2)

 όπου:

 Εκ=μεταφορική κινητική ενέργεια σε Joule (J)

 Επ=περιστροφική κινητική ενέργεια σε Joule (J)

m=μάζα σε κιλά (kg)

υ=ταχύτητα σε m/s

J=ροπή αδρανείας κυλινδρικού σωλήνα (και τροχού με καλή προσέγγιση) σε kg.m^2

R=ακτίνα ολόκληρου του τροχού σε μέτρα (m)

r=ακτίνα της ζάντας (με καλή προσέγγιση) σε μέτρα (m)

Μην βιαστείτε να τρομάξετε από τους τύπους παραπάνω, είναι πιο απλά από όσο νομίζετε τα πράγματα, οπότε ας ερμηνεύσουμε τα μεγέθη περισσότερο ποιοτικά χρησιμοποιώντας και συγκεκριμένο αριθμητικό παράδειγμα.

 Κατ’ αρχήν, για ένα αυτοκίνητο σε κίνηση και σε συνέχεια όσων είπαμε αμέσως πιο πάνω, μεταφορική κινητική ενέργεια Εκ (σχέση 1) έχουμε και για το αμάξωμα και για τους τροχούς: σε κάθε περίπτωση αυτή εξαρτάται από την μάζα (είτε μιλάμε για το αμάξωμα είτε για τους τροχούς) και φυσικά την ταχύτητα.

Για τους τροχούς έχουμε επιπλέον την περιστροφική ενέργεια από τη σχέση 2, η οποία εκτός από την ταχύτητα εξαρτάται όχι απλά από την μάζα του τροχού αλλά από την ροπή αδρανείας του. Η ροπή αδρανείας (σχέση 3) είναι ένα μέγεθος που αντιπροσωπεύει όχι μόνο το πόσο ζυγίζει ο τροχός αλλά και το πως (για δεδομένη μάζα) αυτή είναι κατανεμημένη κατά μήκος της ακτίνας του τροχού από το κέντρο του μέχρι την άκρη του ελαστικού. Τι σημαίνει αυτό πολύ απλά? Ότι δεν μας ενδιαφέρει μόνο το πόσο ζυγίζει ο τροχός αλλά και το πως τα κιλά του μοιράζονται από το μουαγιέ προς το χείλος, δηλαδή την ροπή αδρανείας, και κατ’ επέκταση τις επιδόσεις επηρεάζει και το σχέδιο του!

Την ακριβή ροπή αδρανείας κάθε μοντέλου ζάντας δεν μπορούμε να την υπολογίσουμε αφού δεν παρέχεται κάτι τέτοιο από τους κατασκευαστές, ωστόσο μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την σχέση 3 με μία καλή προσέγγιση. Αυτή η σχέση λοιπόν μας λέει ότι η ροπή αδρανείας, και για δεδομένη συνολική μάζα τροχού, αυξάνεται όσο η μάζα βρίσκεται προς την περιφέρεια του δίσκου του τροχού, δηλαδή προς τα άκρα της περιφέρειας: αυτό που θέλουμε λοιπόν για δεδομένο ελαστικό και συνολικό βάρος τροχού είναι η ζάντα να έχει όσο πιο πολύ μέταλλο προς το κέντρο της και οι ακτίνες / μπράτσα να λεπταίνουν προς την στεφάνη.

Ας πάμε τώρα να δούμε τι μας δείχνουν οι παραπάνω σχέσεις στη πράξη για τον τρόπο που η μάζα των τροχών επηρεάζει τις επιδόσεις, χρησιμοποιώντας ένα αριθμητικό παράδειγμα για ένα συγκεκριμένο αυτοκίνητο που πρέπει να επιταχύνει από τα 100km/h στα 200km/h. Για να βρούμε την συνολική κινητική ενέργεια του οχήματος, θα πρέπει να προσθέσουμε τις κινητικές ενέργειες αμαξώματος και τροχών από τη σχέση 1 και την περιστροφική των τροχών από τη σχέση 2, αφού πρώτα έχουμε υπολογίσει την ροπή αδρανείας των τροχών από τη σχέση 3. Έστω λοιπόν ότι έχουμε ένα αμάξωμα που ζυγίζει συνολικά 1000kg χωρίς τους τροχούς του, διαθέτει τέσσερα 205/45/R17 ζαντολάστιχα των 20 κιλών έκαστο (εξωτερική ακτίνα τροχού 0,31m, ζάντας 0,216m) και κινείται με 100km/h. Από τη σχέση 1 προκύπτει ότι το αμάξωμα έχει Εκ=386KJ, από την ίδια σχέση ότι οι τέσσερις τροχοί έχουν Εκ=30,9KJ και Επ=47,3KJ: η συνολική κινητική ενέργεια όλου του οχήματος προκύπτει 464KJ (όπως βλέπουμε δηλαδή, ποσοστό άνω του 15% της συνολικής ενέργειας που πρέπει να δώσουμε στο όχημα, πάει στους τροχούς και μόνο!). Κάνοντας τώρα αντίστοιχους υπολογισμούς αλλά για κίνηση με 200km/h, προκύπτει συνολική κινητική ενέργεια οχήματος 1.856KJ. Αφήνοντας αεροδυναμικές αντιστάσεις και τριβή κύλισης στην απέξω και θέλοντας να επικεντρώσουμε στη μάζα των τροχών, το όχημα του παραδείγματος μας χρειάζεται 1.856-464=1392KJ για το 100-200km/h. Ας πούμε ότι θέλουμε να δούμε τώρα πόση μέση ισχύ χρειάζεται στο τροχό για να το πετύχει αυτό σε π.χ. 20 δευτερόλεπτα: χρειαζόμαστε (ισχύς = ενέργεια / χρόνος) 1392KJ/20sec=69,6KW ή 94,6 άλογα (PS) στο τροχό (αν σας φαίνεται λίγο, θυμηθείτε ότι οι υπολογισμοί είναι χωρίς αεροδυναμικές αντιστάσεις).

Έστω λοιπόν ότι αποφασίζουμε να βάλουμε στο συγκεκριμένο αυτοκίνητο ελαφρύτερους τροχούς κατά 5 κιλά (πετάμε τα run-flat και τα σκάμε χοντρά για νέες ζάντες δηλαδή), έχοντας πλέον μία συνολική μάζα τροχού 15 κιλών αντί για 20. Επαναλαμβάνοντας όλους τους παραπάνω υπολογισμούς με το νέο δεδομένο των ελαφρύτερων τροχών, καταλήγουμε ότι πλέον χρειαζόμαστε 66,6ΚW ή 90,6PS. Με άλλα λόγια κερδίσαμε 4 ολόκληρα αλογάκια από ελάφρωμα τροχών και μόνο. Τώρα που ξέρετε τι μπορείτε να κερδίσετε, βάλτε κάτω την αξία των καινούργιων ζαντών που έχετε βάλει στο μάτι, σκεφτείτε αν αξίζει και «Εσύ αποφασίζεις» που έλεγε και ο Βούρος στην ομώνυμη σειρά παλαιότερα.

Ένα ενδιαφέρον παράπλευρο συμπέρασμα από τις σχέσεις (1) και (2) παραπάνω είναι ότι επεξηγούν τι θα γίνει αν ένα αυτοκίνητο που τσουλάει με 200km/h πάνω στο δυναμόμετρο, φύγει για κάποιο λόγο (σπασμένοι ιμάντες) από τα ράουλα. Η απάντηση είναι «όχι πολλά»: κόντρα σε ότι πολλοί λανθασμένα πιστεύουν,  το αυτοκίνητο ούτε με 200km/h θα φύγει, ούτε θα αρχίσει να ανοίγει τοίχους και να κυνηγάει ανθρώπους για μεγάλη απόσταση, ίσα ίσα που θα κινηθεί ελάχιστα και με μικρή ταχύτητα: ακόμα και στο χειρότερο σενάριο που όλη η κινητική ενέργεια που έχει όταν τσουλάει στα ράουλα (189KJ για το αυτοκίνητο του παραδείγματος μας από τη σχέση 2) γίνει ενέργεια αμαξώματος (που δεν θα γίνει όλη), από τη σχέση 1 βγαίνει ότι η maximum ταχύτητα που θα πιάσει το αυτοκίνητο έξω από τα ράουλα είναι 15km/h. Με ένα σετ βάσεων προφυλακτήρα και ολοκαίνουργιο σώβρακο δηλαδή τη σώσατε την παρτίδα. Καλού κακού βέβαια, Don’t try this at home, I am a professional…

Τα καλύτερα έρχονται

Είδαμε σήμερα, στο πρώτο μέρος της σειράς μας, τα γενικά χαρακτηριστικά και κάποιους εκ των βασικών νόμους που διέπουν έναν τροχό ως ένα ενιαίο εξάρτημα, χωρίς επίτηδες και εντέχνως να μπούμε σε πιο εξειδικευμένη κουβέντα περί ζαντολάστιχων. Η πρώτη αυτή προσέγγιση θα αποτελέσει τη «μαγιά» για την κατανόηση πιο συγκεκριμένων εννοιών γύρω από τα δομικά μέρη που απαρτίζουν τον τροχό από τον επόμενο μήνα. Που θα πάει, θα γυρίσει ο τροχός...