滾動阻力

(重定向自滚动摩擦

滚动阻力是一物体(例如輪胎)在另一物体表面滚动時,所受到的阻力。主要是因為滚动体及其所在的滚动面或其他物体的接触面受压產生塑性变形所造成[1][2][3],也就是指在接觸壓力消失後,部份滚动体或滚动面形變的能量耗散,沒有轉換為動能。滚动阻力可分為兩種:分別是遲滯損失,滚动体或滚动面(例如沙地)的塑性变形。若滚动体和滚动面之間滑動,也會有能量的損失。有些研究者認為這應當一併考慮到滾動阻力中,但也有研究者認為應當稱為「滑動損失」(slip loss)或「滑動阻力」(slip resistance)[1]。另外,只有滑動損失和摩擦力有關,其他和摩擦力無關,有些文獻將滾動阻力稱為滾動摩擦,但「滾動摩擦」其實不是準確的名稱。

滾動阻力和滑動摩擦類似,可以表示為一個係數和正向力的乘積。滾動阻力係數一般會比滑動摩擦係數要小[2]

有輪子的载具在沒有動力時,因為滾動阻力(也包括軸承的滾動阻力)會慢慢的減速,最後停止。但在鐵路軌道上,有鋼製胎的鐵路列車,無動力行駛的距離會比相同重量,橡膠輪胎,行駛在道路上的公共汽車更遠。前者的滾動阻力係數較後者低。會影響滾動阻力的因素包括有輪子的變形程度、路面的變形程度。其他的影響因素有輪徑英语wheel diameter[3]、輪上負載、表面粘性、 滑動、接觸表面相對的微滑動。因為遲滯現象產生的損失也和輪子和路面的材料特性有關。例如輪胎在柏油路上的滾動阻力比火車鋼輪英语Wheelset (rail transport)在鐵軌上的滾動阻力要小。路面上的也比混凝土的滾動阻力要大。滾動阻力和速度無關。

主要原因编辑

 
滾動圓柱(往右邊滾動)之間因為黏彈性物質產生的非對稱壓力分佈[4]

充氣輪胎滾動阻力主要是因為遲滯現象[5]

可變形材料的一個特徵是變形的能量比復原的能量要大。輪胎中的橡膠會有遲滯現象,當輪子負荷著車子的重量滾動時,輪子的各部份會反覆的變形和復原,其遲滯能量會以熱的形式散失。遲滯是滾動阻力能量損失的主要原因,和橡膠的黏弹性有關:— National Academy of Sciences[6]

主要原理可以由滾動圓柱的圖上看出。若二個大小相同的圓柱因壓力貼在一起,其接觸平面會是平的。在沒有表面摩擦力的情形下,接觸應力是正向的(和平面垂直)。考慮一個物體從右側進入接觸平面,延著接觸路徑行進,最後從左邊離開。一開始其垂直變形量會增加,但增加量會因為遲滯現象而變的比較小,會產生額外的壓力讓這二個表面不會互相干涉,之後來垂直變形量會減少,這也會遲滯現象而受到影響。此例中,遲滯現象減少了讓這二個圓柱分開所需要的壓力。

所合成的壓力分佈是非對稱的,右邊會比較多。圖中壓力合成的作用線英语line of action不會通過圓柱的中心,會產生力矩抵擋滾動運動。

有些材大(例如橡皮)的遲滯現象較大,反彈比較慢,其滾動阻力會比遲滯現象小的材料(例如石頭或二氧化硅)要大,而遲滯現象小的材料其反彈比較快,反彈後也比較容易恢復原狀。低滾動阻力胎英语Low-rolling resistance tires中就會在其胎面膠中用二氧化矽代替碳黑,降低低頻遲滯,但不影響車輪的牽引力[7]。鐵路因為其路面結構,也可能會有遲滯現象[8]

定義编辑

廣義的「滾動阻力」是指針對車輛的單位重量,需出力使車輛維持低速前進的力,其中風阻省略,車輛的引擎和剎車都沒有啟動。換句話,若沒有出力使車輛維持定速,車輛會惰行慢慢停止[9]。這個廣義的定義包括軌承阻力、路面和車輛因為振動所散失的能量,以及輪子在路面(或鐵軌)上的滑動。

但更廣義的「滾動阻力」包括因為打滑產生的能量損耗。在打滑時,車輪切線速度比車輛速度要快。因為功等於力乘以速度,車輪速度變快,所需要的功率也對應的變大。

相關條目编辑

參考文獻编辑

  • Астахов П.Н. (俄語) "Сопротивление движению железнодорожного подвижного состава" (Resistance to motion of railway rolling stock) Труды ЦНИИ МПС (ISSN 0372-3305). Выпуск 311 (Vol. 311). - Москва: Транспорт, 1966. – 178 pp. perm. record at UC Berkeley (In 2012, full text was on the Internet but the U.S. was blocked)
  • Деев В.В., Ильин Г.А., Афонин Г.С. (俄語) "Тяга поездов" (Traction of trains) Учебное пособие. - М.: Транспорт, 1987. - 264 pp.
  • Hay, William W. "Railroad Engineering" New York, Wiley 1953
  • Hersey, Mayo D., "Rolling Friction" Transactions of the ASME, April 1969 pp. 260–275 and Journal of Lubrication Technology, January 1970, pp. 83–88 (one article split between two journals) Except for the "Historical Introduction" and a survey of the literature, it is mainly about laboratory testing of mine railroad cast iron wheels of diameters 8″ to 24 done in the 1920s (almost a half century delay between experiment and publication).
  • Hoerner, Sighard F., "Fluid dynamic drag", published by the author, 1965. (Chapt. 12 is "Land-Borne Vehicles" and includes rolling resistance (trains, autos, trucks).)
  • Roberts, G. B., "Power wastage in tires", International Rubber Conference, Washington, D.C. 1959.
  • U.S National Bureau of Standards, "Mechanics of Pneumatic Tires", Monograph #132, 1969–1970.
  • Williams, J. A. Engineering tribology'. Oxford University Press, 1994.

外部連結编辑