لاستیک تایر چطور کار می کند؟

فرمول یک ایران – ماهیت ویسکوالاستیک لاستیک تایر دلیلی بر این موضوع است که چرا مدیریت عملکرد تایر کار سختی است، در این مقاله می خواهیم در این مورد بیشتر بدانیم…

دلیل اینکه چرا تایرها چنین رفتارهای غیر قابل پیش بینانه ای را نشان می دهند به این خاطر است که آنها از لاستیک که یک ماده ویسکوالاستیک است ساخته شده اند. پیش از آنکه وارد بحث اصلی شویم، ابتدا باید در مورد مواد الاستیک و ویسکوز بدانیم.

ماده الاستیک چیست؟

مواد الاستیک وقتیکه به آن ها نیرویی وارد می شود به طور خطی تغییر شکل می دهند. وقتیکه نیرو برداشته می شود، این ماده به حالت اصلی خودش بر می گردد.

برای مثال، یک فنر. وقتیکه شما آن را فشار می دهید فنر فشرده می شود و وقتیکه آن را رها می کنید دوباره به طول اصلی خودش بر می گردد. هرچقدر که بیشتر فشار دهید، فشردگی بیشتر خواهد بود و بنابراین جا به جایی یا تغییر طول رابطه مستقیم با نیروی اعمال شده دارد.

ماده ویسکوز

یک ماده ویسکوز وقتیکه نیرویی به آن اعمال می شود با یک نرخ ثابتی تغییر شکل می دهد و پس از برداشته شدن نیرو، به حالت اصلی خودش بر نمی گردد.

برای مثال می توانید به حرکت پیستون در روغن فکر کنید. وقتیکه پیستون را فشار می دهید، ویسکوزیته روغن باعث ایجاد مقاومت در برابر پیستون می شود و بنابراین هر چقدر که بیشتر فشار می دهید، مقاومت بیشتری را دریافت می کنید. وقتیکه این کار رها می کنید، مقاومت درون روغن، پیستون را به عقب فشار می دهد اما به موقعیت اصلی آن بر نمی گرداند.

این مسئله به این خاطر رخ می دهد که مقاومت درون روغن، میزانی از انرژی را که شما برای فشار وارد کردن به پیستون استفاده کردید را به انرژی حرارتی تبدیل می کند و بنابراین اینجا هدر رفت انرژی وجود دارد و پیستون به موقعیت اولیه خودش بر نمی گردد.

ماده ویسکوالاستیک

یک ماده ویسکوالاستیک ترکیبی از تغییرشکل الاستیک یعنی قابل برگشت به حالت اصلی و تغییر شکل ویسکوز یعنی تغییر شکل دائمی می باشد. بنابراین به حالت اصلی خودش بر می گردد ولی پس از گذر یک زمان معینی.

یک ماده ویسکوالاستیک، می تواند به عنوان ترکیبی از فنر و پیستون دیده شود. بنابراین وقتیکه پیستون را فشار می دهید، ویسکوزیته موجود در روغن در برابر جا به جایی مقاومت از خودش نشان می دهد که باعث ایجاد حرارت شده و وقتیکه رها می کنید، این مقاومت پیستون را به عقب ولی نه به جای اصلی خودش بر می گرداند. سپس فنر وارد عمل می شود و رفتار الاستیک آن باعث می شود که پیستون به عقب تر و موقعیت اصلی خودش برود.

بیشتر بدانید؛تایر و لاستیک فرمول یک

یک بار دیگر، جا به جایی با نیروی اعمال شده رابطه عکس دارد اما این نسبت این بار به مراتب کمتر از ماده ویسکوز می باشد. این تاخیر منجر به تلف شدن انرژی به صورت گرما می شود.

لاستیک

حال که درک کردیم ویسکوالاستیک چیست وقت به بررسی رفتار ویژگی های لاستیک در شرایط مختلف می باشد. به طور کل، سه چیز روی رفتار لاستیک تاثیر می گذارد:

اتلاف انرژی – اتلاف به شکل حرارت به خاطر تاخیر فاز هیسترزیس – وقتیکه تنش و تغییر حالت رخ نمی دهد مدول – خاصیت صلبیت مواد. مواد نرم، مدول پایینی دارند ولی مواد سخت، مدول بالایی را دارند.

به هر حال، متغیرهای بالا به طرز فوق العاده ای به دمای لاستیک و فرکانسی که لاستیک با آن تحت تنش قرار گرفته بستگی دارد. به همین خاطر است که علم شناخت تایر ها به عنوان یک علم مخوف نامیده می شود.

تاثیر فرکانس تنش

یک لاستیک وقتیکه تحت تنش زیاد(فرکانس بالا) یا نه چندان زیاد(فرکانس پایین) قرار بگیرد رفتار کاملا متفاوتی را نشان می دهد. با همان مثال فنر و پیستون بریم جلو…

در فرکانس پایین، تغییر شکل با سرعت پایینی رخ می دهد و بنابراین نیرویی که برای حرکت پیستون لازم است کم می باشد که درنتیجه سبب کاهش مقاومت روغن می شود و این معنا را دارد که فنر چیره می شود. در این سناریو، لاستیک به شکل الاستیک رفتار می کند و هیچ تاخیری بین جا به جایی و نیرو نیست و در نتیجه هیسترزیس پایین است.

در فرکانس بالا، یک نیروی بیشتری برای حرکت سریعتر پیستون درون روغن نیاز است که در ازای آن مقاومت افزایش می یابد و باعث می شود این بار پیستون دست برتر را داشته باشد. در واقعیت، این مسئله این معنا را دارد که لاستیک به شکل ویسکوالاستیک رفتار می کند. در اینجا، یک تاخیری در جا به جایی و نیرو وجود دارد و بنابراین هیسترزیس بالاست.

هیسترزیس به تولید نیروی اصطکاک درون تایر کمک می کند که می تواند چسبندگی تولید کند و به همین دلیل است که فرکانس بالا مورد استفاده قرار می گیرد چونکه هیسترزیس در آن، در بالاترین حد ممکن است. البته، اگر فرکانس بیش از اندازه بالا باشد سپس لاستیک وارد یک فاز شیشه ای می شود که در آن ویسکوزیتی پایین می باشد.

تاثیر دما بر روی لاستیک

در دماهای پایین، مدول لاستیک بالاست و بنابراین بی دوام، شکننده و صلب می شوند. در دماهای بالا، مدول لاستیک پایین است که باعث انعطاف پذیری و الاستیک شدن آن می شود.

ما می خواهیم که لاستیک تا جایی که ممکن است ویسکوز باشد به این خاطر که انعطاف پذیری لاستیک به تولید نیروی اصطکاک که خودش تولید چسبندگی می کند، کمک می نماید. لاستیک در محدوده دمایی متوسط، بالاترین حد از میزان ویسکوز را دارد که به این محدوده دمایی، دمای انتقال شیشه می گویند.

تعادل دما و فرکانس

تمام این چیزها به یک رابطه معکوس مستقیم بین افزایش دما و کاهش فرکانس تنش لاستیک ختم می شود. به عبارت دیگر، وقتیکه فرکانس تنش در یک دمای داده شده، افزایش می باید. لاستیک صلب می شود.وقتیکه دما در یک فرکانس داده شده افزایش می یابد، لاستیک نرم تر می شود. قانونی که این تعادل دما و فرکانس را تعیین می کند به عنوان معادله WLF شناخته می شود.

نکته کلیدی و نهایی

به طور کل، انعطاف پذیری و هیسترزیس یک لاستیک به تولید نیروی اصطکاکی می کند که در نتیجه آن، چسبندگی برای تایر تولید می شود. به این خاطر که لاستیک تایر نیاز دارد که مدول کمتر و هیسترزیس بالاتری را داشته باشد. این مسئله وقتی به دست می آید که تایر در محدوده دمای انتقال به شیشه می باشد و فرکانس نسبتا بالایی را تجربه می کند.