Suponiendo un ABS idéntico y suficiente, e ignorando la aerodinámica, ¿son los neumáticos el único factor para la distancia de frenado?

tl;dr: No.

Este tipo de pregunta sobre dinámica de vehículos se aborda mejor con Dinámica de vehículos de autos de carreras.

Lo que sigue es una discusión básica en el nivel de física de la escuela secundaria. Como verá en el texto de referencia, la física de la escuela secundaria es insuficiente para modelar estáticamente el sistema completo del vehículo. Se requiere un modelo dinámico para estar de acuerdo con los datos experimentales fácilmente obtenibles.

Suponiendo que las pastillas de freno pueden bloquear los neumáticos y el ABS, e ignorando la carga aerodinámica, ¿todo depende de los neumáticos?

No.

Peso del automóvil: la física me dice que la fricción es proporcional a la fuerza normal, así que supongo que esto no importa

Incorrecto. La masa es el factor dominante.

Su ecuación crítica aquí es:

dónde

des tu distancia de frenado y, como puedes ver, se define en términos de tu aceleración a(deceleración en tu caso), tu velocidad inicial v_0y el tiempo necesario para llegar a la velocidad cero t. Fes la fuerza de desaceleración de todo el vehículo y su sistema de frenos, mientras que mes la masa del vehículo.

Para completar: para resolver t, lo mejor es usar las ecuaciones de energía. Sin embargo, las dos ecuaciones anteriores son suficientes para hacer una aproximación numérica en la hoja de cálculo de su elección.

Entonces, en igualdad de condiciones, puede ver fácilmente que la masa del vehículo domina todo el sistema. Si no cambia nada más, un vehículo más ligero se detiene más rápido (mayor aceleración para la misma fuerza). Dos automóviles idénticos con un número diferente de pasajeros reducirán la velocidad a diferentes velocidades.

Confirmación experimental: toda esta discusión es divertida, pero la física sólida debe ser confirmable (o falsificable) usando un experimento.

Materiales necesarios:

1. Un coche lleno de combustible.
2. Un curso medido para pruebas de frenado de 60 mph (es decir, una pista recta, una señal de freno aquí y marcadores de 10 metros).
3. Una carga adicional de 20 sacos de arena de cincuenta libras.

Procedimiento:

1. Realice diez pruebas de frenado desde 60 mph sin la carga adicional. Mida la distancia requerida para detenerse en cada carrera. Tenga en cuenta que las carreras consecutivas probablemente inducirán el desvanecimiento de los frenos (la distancia aumentará con la temperatura de los frenos).

2. Repostar el coche.

3. Agregue 10 bolsas de arena de cincuenta libras al vehículo (para un total de 500 libras adicionales). Repita las mismas pruebas de frenado desde 60 mph en el mismo recorrido. Tenga en cuenta las distancias de frenado. Tenga en cuenta que las distancias requeridas para detenerse son más largas. Tenga en cuenta que los recorridos consecutivos están provocando un desvanecimiento de los frenos cada vez más severo (es decir, esas largas distancias de frenado se están alargando mucho más rápido).

4. Repostar el coche.

5. Agregue 10 bolsas de arena de cincuenta libras más (para un total de 1000 libras adicionales). Repita las mismas pruebas de frenado. Tenga en cuenta que las distancias de parada requeridas son mucho más largas. Tenga en cuenta que las carreras consecutivas están provocando que los frenos se desvanezcan mucho más rápido (posiblemente alcanzando un estado aterrador ya que los frenos parecen dejar de funcionar).

Conclusión:

Volviendo a nuestras ecuaciones originales, podemos ver que a medida que maumenta, hay un claro aumento en la distancia dy el tiempo tnecesarios para detenerse. Si Ffuera una fuerza de fricción cinética o estática pura, esperaríamos que aumentara linealmente con m, lo que daría como resultado distancias de frenado casi idénticas.

Como este no es el caso en absoluto, podemos concluir que Fno es una fuerza de fricción idealizada.

Entonces, asumiendo las mismas llantas y frenos que pueden sostener las llantas a esa fuerza estática máxima, no veo por qué la masa aumentaría la distancia de frenado.

Sí, la situación sería muy simple si un automóvil fuera un bloque sólido ideal de un libro de texto de física (es decir, un pollo esférico ). En tu comentario estás sustituyendo men varios lugares como si fuera siempre lo mismo en cada rueda. Este sería el caso si estuviéramos hablando de un problema de física. Desafortunadamente, un automóvil real es una caja hueca asentada sobre resortes, montada sobre globos redondos hechos de caucho y acero.

Cuando mencionas la fuerza normal, estás hablando de la fuerza del parche de la llanta en la carretera. Esta situación solo coincidiría con la función de fricción básica si el vehículo no se moviera con los frenos bloqueados. Se requerirá una cantidad de fuerza para empujar esta cosa pesada a través del estacionamiento (con las llantas chirriando todo el camino, supongo). Coche pesado => más difícil de empujar.

Desafortunadamente, nada de lo anterior es realmente relevante.

La realidad es que la fuerza normal utilizada para la fricción cinética para detener el automóvil no son los neumáticos. En realidad, es la fuerza de las pastillas de freno en los rotores (o tambores, pero asumo frenos de disco para tener algo fácil de señalar). Su fuerza de sujeción es lo que realmente frena la rueda. Eso solo da como resultado la desaceleración del vehículo si los neumáticos están acoplados estáticamente a la superficie. Una rueda que deja de girar patina, no frena.

Rigidez de la suspensión: esto reduciría el hundimiento delantero, pero ¿afecta eso a la distancia de frenado?

Rebote de la suspensión: un rebote deficiente posiblemente causaría un tiempo de aire momentáneo si el camino está lleno de baches, ¿sería esto sustancial?

Rigidez del chasis: ¿un chasis que se combe un poco más bajo fuerzas pesadas causaría que los neumáticos salten o algo así?

Cualquier cosa que aumente la superficie de contacto del neumático aumentará la capacidad de la carretera para inducir un par en la rueda (y viceversa). Un parche grande se agarrará bien a la carretera, manteniendo la rueda girando y permitiendo que los frenos usen más fuerza de agarre antes de que la rueda se detenga, patinando las llantas. Un parche más pequeño se agarra mal, lo que resulta en un patín con mucha menos fuerza de agarre.

Aquí es donde su sistema ABS intenta optimizar una mala situación: trata de evitar que todas las ruedas se detengan relajando y volviendo a agarrar la fuerza de sujeción de los frenos cerca del límite de tracción. Esta modulación de los frenos es exactamente lo que un conductor experto intentará duplicar.

¿Por qué es peor tener la mayor parte de la carga en dos llantas en lugar de cuatro?

Una vez más, el sistema de frenado depende totalmente del uso de los discos de freno y de la fuerza de sujeción que puede aplicar antes de que se bloqueen las ruedas. A medida que el peso deja los neumáticos traseros, su parche de contacto se acerca a cero. Como resultado, el sistema de frenado no puede aplicar mucha fuerza de sujeción antes de que esas ruedas se bloqueen (es decir, ahora están fuera de escena).

Sin embargo, cambiar el peso hacia adelante ha aumentado las zonas de contacto de los neumáticos delanteros, pero no se han duplicado (esto es una consecuencia de muchas cosas, incluido que cada uno es un globo lleno de aire que no se expande linealmente con un aumento en el peso que soporta). Como resultado, cada llanta delantera ahora recibe menos del doble del torque que recibía cada llanta antes de la transferencia de peso. Consecuencia: cada rotor delantero se puede agarrar con una fuerza mayor pero no el doble de la fuerza, lo que resulta en un frenado reducido y distancias de frenado más largas.

Calidad del ABS: ignorando el EBD, ¿existe una diferencia sustancial en la efectividad del ABS entre los modelos de automóviles?

En realidad, esto solo puede responderse en términos de una situación específica. ¿Cuál es el escenario? ¿Qué neumáticos están en uso? ¿Nieve contra hielo contra arena contra lluvia? ¿Neumáticos fríos o calientes?

En general, cualquier sistema ABS moderno es mejor que ninguno. Es casi óptimo en comparación con el conductor promedio, su conocimiento de la situación y sus tiempos de reacción.

¿Puede un conductor muy habilidoso frenar mejor sin ABS que con ABS?

Creo firmemente que Michael Schumacher podría superarme en frenos en la pista, en el mismo vehículo, sin importar qué sistema ABS usara.

¿Y qué?

A menos que seas un campeón de Fórmula Uno (o un equivalente efectivo), te digo que esta es una comparación sin sentido cuando hablas de conducir en el mundo real, en carreteras reales con personas reales que no están pagando lo mismo. tanta atención como deberían.

Prefacio

Terminé pensando e investigando un poco sobre esto, así que creo que también puedo escribir lo que encontré. Gracias a todos los que respondieron, particularmente a BobCross. Sin embargo, al final, quería una respuesta que fuera más allá de llamar a un automóvil una caja misteriosa con globos: hice esta pregunta porque realmente quiero entenderla.

Introducción - Neumáticos

Dada la situación de un automóvil que tiene suficiente potencia de frenado para bloquear las ruedas e ignorar la aerodinámica, los neumáticos son el determinante final de la potencia de frenado. Habiendo dicho eso, hay muchos factores que afectan qué tan bien esos neumáticos se agarran al suelo.

Peso de un coche

El poder de frenado de un automóvil es la fricción. Con el ABS adecuado, las ruedas ruedan en contacto con la carretera, por lo que estamos hablando principalmente de fricción estática. Se produce algo de deslizamiento debido a la suavidad de los neumáticos, pero es bastante parecido a la estática.

La física básica nos dice que la fricción es igual a la fuerza normal multiplicada por el coeficiente de fricción, es decir:

Ff = µ * Fn

donde Ffes la fuerza de fricción, µes el coeficiente de fricción y Fnes la fuerza normal.

Sin embargo, los neumáticos son un poco más complicados. Por un lado, el coeficiente de fricción disminuye a medida que aumenta la fuerza normal (consulte este artículo de Wikipedia para obtener más detalles). A continuación se muestran datos tomados de ese artículo:

Vertical load   µ
(lbf)           max
900             1.10
1350            1.08
1800            0.97

La ecuación anterior nos dice que la distancia de frenado es inversamente proporcional a la fuerza de desaceleración, por lo que con los datos anteriores, una duplicación de la masa da como resultado una disminución de -12 % en µ y, por lo tanto, un aumento de +14 % en la distancia de frenado. ¿Por qué? Esta ecuación:

v_1^2 = v_0^2 + 2ad

es decir, dada una velocidad inicial y final, la aceleración es inversamente proporcional a la distancia.

Entonces, más peso da como resultado una distancia de frenado más larga, pero la relación es solo ligeramente positiva y definitivamente no es lineal.

Nota: el aumento de peso pone al automóvil en riesgo de un peor desvanecimiento de los frenos, pero eso está fuera del alcance de la pregunta.

Suspensión

En lo que respecta al frenado, la suspensión es importante para:

1. Mantener los neumáticos plantados en la carretera
2. Manteniendo la distribución del peso incluso entre los neumáticos. Las distribuciones desiguales del peso, como en el caso de la caída en picado, disminuyen la capacidad general de frenado, ya que arriba vemos que el agarre no aumenta linealmente con la carga.

Una suspensión más rígida definitivamente ayuda con (2), sin embargo (1) simplemente requiere una configuración ideal de rigidez/rebote para el camino, lo que sea que mantenga las llantas mejor plantadas. Para asfalto de calidad, probablemente lo mejor sea una configuración rígida y rápida.

Chasis

Todo lo que el chasis debe hacer para frenar es actuar como un cuerpo rígido entre la suspensión, para que la suspensión pueda hacer su trabajo. Por lo tanto, puede marcar la diferencia, pero no será importante a menos que el chasis realmente apeste.

abdominales

EBD es parte del sistema ABS, por lo que realmente no puede analizar ABS bueno y malo sin considerar las ganancias de EBD.

Una buena configuración de ABS puede aplicar diferentes niveles de frenado a diferentes ruedas, por lo que es posible que el ABS frene más que un humano, simplemente al tener más controles. Aunque en asfalto de calidad, variar el equilibrio de frenado de izquierda a derecha probablemente no sea tan significativo.

Es difícil decir si realmente existen sistemas ABS deficientes, pero es totalmente posible.

Conclusión

Los neumáticos definitivamente son la fuente de dinero cuando se trata de frenar, si ya tiene frenos potentes con un buen ABS, sin embargo, hay otros factores que juegan un papel muy importante.

Y si sale del alcance de un freno único que ignora la aerodinámica, bueno, entonces... tiene que considerar la aerodinámica, ya que eso es enorme para altas velocidades, y la suposición de que los frenos bloquean los neumáticos ya no es un hecho después de muchos cambios agresivos. vueltas en la pista con un automóvil que genera varios cientos de kW. ¿Adónde va a ir todo ese poder?

Un punto a recordar y tener en cuenta es que el criterio principal en todo esto es el coeficiente de fricción del neumático. Esto afectado por la presión de los neumáticos. Si tuviera un vehículo determinado en una carretera fría y plana con buenos neumáticos con la presión correcta, su frenado sería óptimo. Cualquier variación de esta situación, argumentativamente ideal, restaría valor al rendimiento de frenado. Las condiciones de la carretera, la calidad de los neumáticos, las presiones, el clima y el estado del vehículo tienen su influencia. Los sistemas ABS generalmente se fabrican para el fabricante de automóviles, lo que significa que tiene el mismo sistema en muchas marcas y modelos. Todos los sistemas ABS que encontrará serán indistinguibles entre sí. El precio de los sistemas será una diferencia, ya que algunos fabricantes importarán componentes que han fabricado exactamente para ellos en países donde las preocupaciones laborales y de salud y seguridad son menores, lo que los hace más baratos. (VW no fabrica sus propias cajas de cambios, se fabrican en Japón). Micheal Schumacher se benefició de la telemetría, el GPS y Ross Brawn, así como del acceso sin restricciones al campo de carreras para practicar y perfeccionar su frenado. Oh sí, también tenía un poco de talento :-).

La respuesta corta es que las siguientes cosas juegan un papel en la distancia de frenado:

1. El peso del coche,
2. El "agarre" del neumático. Más suave y más ancho (y un poco menos inflado) es mejor.
3. La distribución adecuada del frenado en todos los neumáticos. En un escenario ideal, a los cuatro neumáticos se les dará la misma cantidad de trabajo de frenado (pero vea el siguiente punto)
4. el grado en que la carga de cada rueda es similar a las otras. Cuando frena, el centro de masa del automóvil se desplaza hacia adelante. Esto significa que sus frenos delanteros realizan entre el 60% y el 80% del frenado. Si esto se puede hacer más 50/50, ayudaría.*
5. Una configuración suspensión+amortiguador que mantendrá cada rueda en contacto con la carretera tanto como sea posible.

*WRT #4: es extremadamente poco práctico configurar los componentes de la suspensión de su automóvil para mantener el centro de masa en una distribución de 50/50 durante el frenado. No creo que sea físicamente posible. Pero si lo fuera, tendrías una suspensión delantera extremadamente dura e incómoda, mientras que la trasera sería malvavisco.