A mai részben a súlypont áthelyezéssel kezdünk ismerkedni. Ez egy olyan alapvető témakör, amit mindenképpen érteni kell ahhoz, hogy eredményesen tudjunk versenytempóban autózni! Miután megértettük a súlypont áthelyeződést, rögtön érteni fogjuk, hogy miért és hogyan változik az autó dőlése a kanyar egyes részein. Ami pedig még ennél is fontosabb, megtanuljuk, hogy hogyan használhatjuk ki mindezt a jobb köridő elérése érdekében! Vágjunk is bele!
Mi az a súlypont?
A fizikában egy részekből álló rendszer tömegközéppontja az a nevezetes pont, mely sok szempontból úgy viselkedik, mintha a rendszer tömege ebbe a pontba volna koncentrálva. Egyenletes gravitációs mezőben lévő rendszer tömegközéppontját régebben súlypontnak is nevezték. (wikipédia) A versenyzői szóhasználat miatt a továbbiakban a súlypont kifejezést fogjuk használni.
Miért fontos az autó súlypontjának helye?A mi szempontunkból (mint versenyzők szempontjából) az autó súlypontja mindaddig nem túl lényeges, amíg az autóval a tapadási határ alatt haladunk, hiszen ebben az állapotban az autó azt fogja tenni, amit a kezelőszervekkel utasítunk neki. Viszont amikor megközelítjük a tapadás határát, vagy átlépjük azt (akár csak kis mértékben is), akkor az autó viselkedése határértékre kerül, és ilyenkor már sokkal nagyobb szerepe van a súlypontnak, hiszen ez határozza meg, hogy melyik gumira mekkora leszorító erő hat. Ha a leszorító erő a tapadási körnek megfelelően valamely abroncsra túl alacsony, akkor az adott abroncs veszít a tapadásából, így mi is veszítünk az irányíthatóságból.
Az előző részben láthattuk, hogy a tapadási kör alapján az autó mozgása a rendelkezésre álló tapadás függvényében változik. A tapadás részben a normál erőből adódik, ami nem más mint az az erő, ami a gumiabroncsot a talajhoz nyomja. Egy állandó sebességgel gyorsuló testre ható erő értékét Newton második törvényének analógiája szerint az erő=tömeg szorozva a gyorsulással képlettel is leírhatjuk (F=m*a). Mivel az autót a tapadási körben is tekinthettük egyetlen testnek, így a rá ható erők kiszámításakor is élhetünk ezzel az egyszerűsítéssel. A tömeget könnyen megmérhetjük, ha egy mérlegre állítjuk az autót. Viszont ahhoz hogy pontos eredő erő értéket kapjunk, a gyorsulást a test tömegközéppontjának gyorsulásával kell megadnunk. Miért? Amikor az autó nem csak egy irányba sodródik, hanem közben a függőleges tengelye körül pörög is, akkor a pörgés miatt a tengelytől távolabb eső részei más értékkel gyorsulnak mint a tengelyhez közelebb lévők, és maga az eredő vektor is folyamatosan változik az autó adott pillanatban érvényes pozíciója szerint. Ezt egyszerűsíthetjük (összegezhetjük a gyorsulási vektorokat), ha a tömegközéppont gyorsulásával számolunk. Tehát a fenti képletünk úgy lesz pontosabb, ha a gyorsulás értékét a tömegközéppont gyorsulási értékével és vektorával helyettesítjük. F=m*atk. Az így kapott értékéből és vektorából származtathatjuk az aktuális normál erőt.
Szélsőséges esetben, amikor nulla, vagy közel nulla a tapadás, akkor az autó a súlytalansághoz hasonlóan fog viselkedni, és a súlypontja körül fog forogni. Most persze sokan azt gondolják, hogy mi van akkor ha megpördül az autó, már úgysem tudunk beavatkozni. Ez igaz is, ekkor már csak utasok vagyunk. Van viszont olyan eset is, amikor szándékosan helyezzük az autót olyan állapotba, ahol nulla a tapadás! Ilyenkor az autó a levegőben van. Népszerűbb néven ugrat. Ugratás közben gyakorlatilag semmilyen módon nem tudunk beavatkozni az autó viselkedésébe, ezért a szükséges előkészületeket még az ugratás előtt kell megtennünk. Ilyen pl, hogy milyen sebességgel rugaszkodunk el, milyen irányban, illetve hogy éppen gyorsítottunk, lassítottunk, vagy egyiket sem tettük. Ezek mind erősen meghatározzák azt, hogy az autó hol és hogyan fog földet érni. És mindezt a súlypontja határozza meg!
Ha a tömegközéppont helyét nem pontosan számítjuk ki, akkor az autó viselkedését sem lehet pontosan kiszámítani. Ezért például egy szimulátorban alkalmazott fizikai modellezés hiába tű pontos, ha nem valódi adatokat viszünk be a képletbe, a végeredmény sem fog a valóságnak megfelelni! A legtöbb nem élethűen viselkedő szimulátor (vagy abban lévő autó) egyik legfőbb problémája pont ez.
Már egy nyugalomban lévő valódi autó súlypontját sem egyszerű pontosan meghatározni, nemhogy egy folyamatosan változó mozgást végzőét! Bár az elméleti értéket ma már egy 3d tervezőprogram könnyedén kiszámolja a meglévő 3d tervekből, a valóságban az alkalmazott gyártási technológiákból adódó tűrések és a rendelkezésre álló anyagok eltérő tulajdonságai miatt az egyes alkatrészek valódi mérete és tömege szinte minden esetben eltér a 3d tervben lévőtől. Nem véletlen, hogy egy forma-1 motorban használt dugattyú ára 50.000 angol font (24,4 millió forint), mert ezt a lehető legpontosabban készítik el, hogy amennyire csak lehet azonos legyen a tervekben lévőkkel. És akkor még csak egy picike alkatrészről van szó, nem az összesről! A tervek alapján tehát csak körülbelül lehet megmondani hogy hol van egy autó súlypontja, a valóságban ezt a kész autón csak méréssel lehet pontosan meghatározni.
A legpontosabban úgy tudnánk meghatározni az autó tömegközéppontját, hogyha súlytalan állapotba helyeznénk, és egy adott ponton adott erővel hatnánk rá. Ilyenkor az autó a tömegközéppontja körül kezd el pörögni. Már nem is lenne más dolgunk, mint a rögzített képet kielemezni és ebből meghatározni a pont helyzetét. Ez a módszer autók esetében persze kivitelezhetetlen. Egy másik lehetséges módszer lenne, hogy az autót a kerekek talajérintési pontjában olyan rugókra függesztjük fel, amik rugóereje megfelelő a méréshez. Ilyenkor az autó kicsit hasonlóan viselkedne mint súlytalanságban, de a mozgáshoz szükséges erőt a gravitáció fejtené ki, így meglökni nem kéne. Saját magától olyan helyzetbe kerülne, ami egyenletes erőeloszlást eredményez. Ha az autó tömegközéppontja az autó tömegének közepében van, akkor nem dőlne előre vagy hátra, sem jobbra vagy balra. Ha lenne ilyen eszközünk, akkor azonnal ki is egyensúlyozhatnánk vele az autót, mégpedig úgy, hogy megfelelő méretű súlyokat helyeznénk el a szükséges helyekre. Persze ez még mindig csak egyetlen állapotban adna tökéletes egyensúlyt, hiszen amikor csökken az üzemanyag mennyisége, vagy kopik a gumi, esetleg por rakódik az autóra, akkor a súlypont abban a pillanatban megváltozik. Hasonló eszközön végezték el pl. a
BMW 320si WTCC versenyautó kiegyensúlyozását is 2006-ban. Az erről készült videót a linkre kattintva tekinthetjük meg.
Van egy egyszerűbb, de ennél fogva kevésbé pontos módszer is. Vízszintes padlón az autó kerekeit 4 db mérlegre állítjuk. A négy mérleg pontosan mutatja az autó egyes kerekeire jutó tömeget, így ebből és a kerekek középpontja közötti távolságból már kiszámítható a tömegközéppont X tengelyre eső helye. A Z tengelyre a meghatározás annyiban tér el, hogy ebben az esetben az autó egyik tengelyén lévő mérlegeket (és rajta a kerekeket) meg kell emelni, hogy az autó előre (vagy hátra) dőljön. A mérést ugyanúgy kell elvégezni, majd a kapott értékből és a dőlés szögéből a Pitagorasz tétel alapján tudjuk meghatározni a Z koordináta értékét. Normál autó esetében a mérés azért sem lesz pontos, mert a dőlés miatt az autó rugói összenyomódnak (a másik oldalon kinyílnak), így a mérlegek nem a helyes értéket fogják mutatni. A legpontosabb mérés érdekében érdemes a rugók meneteit rögzíteni, hogy ne tudjanak összenyomódni. Az Y koordinátán lévő értéket vehetjük nullának, ilyenkor úgy tekintjük, hogy a súlypont az autó közepén helyezkedik el. Ha pontos értékre van szükségünk, akkor az előző módszer szerint kell itt is eljárni. Ha megfelelő pontosságú mérőeszközünk van, mint például a NASA-nak, akkor a mérést akár 0,1 mm pontossággal is el lehet végezni.
Ha szeretnénk megállapítani saját autónk tömegközéppontját és el tudjuk végezni a szükséges méréseket, akkor ezen az oldalon találunk egy kalkulátort, ami elvégzi helyettünk a számításokat: https://www.omnicalculator.com/physics/car-mass-center
Súlypont áthelyeződés
Az előbbiekben kiszámított súlypont helye akkor igaz, amikor az autó vízszintes felületen áll, vagy egyenletes sebességű, egyenes irányú mozgást végez. Minden más esetben a súlypont helye megváltozik. Miért? Ezt szerintem már mindenki tapasztalta!
Ahhoz, hogy jobban megértsük a súlypont áthelyeződést, először nézzük meg, hogy egy autó milyen tengelyek mentén képes mozgást végezni. Tekintsük a mellékelt ábrát, ahol vörös színnel jelöltük a hosszirányú tengelyt (X). Amikor az autó kanyarodik és jobbra vagy balra dől, akkor a dőlés úgy történik, mintha az autó ezen tengely mentén dőlne jobbra vagy balra. Kék színnel jelöltük a keresztirányú tengelyt (Y), ami körül az autó gyorsításkor és lassításkor dől előre vagy hátra, úgy mondjuk hogy bólint. Végül zöld színnel jelölve láthatjuk a függőleges tengelyt (Z), ami mentén az autó pörög, ha éppen kicsúszik a pályáról. Figyeljük meg, hogy a tömegközéppont a tengelyek metszéspontjában helyezkedik el! (Az ábra csak szemléltetésre készült, nem pontos értékeket mutat!)
Bármilyen hihetetlen is, az emberi testnek is van ugyanilyen súlypontja, mint minden más testnek is. Amikor egy helyben állunk, a súlypontunk úgy helyezkedik el, hogy nem dőlünk el. Amikor például előre dőlünk, akkor a súlypontunk is előbbre kerül, és ahhoz hogy ne essünk a földre, az egyik lábunkat előre kell helyezni, hogy megtartsuk magunkat. Ilyenkor a súlypontunk ismét olyan helyre kerül, ami miatt nem dőlünk el. Amikor az autóval fékezünk, főleg, amikor erősen fékezünk, akkor a testünk előre mozdul! Úgy is mondják, hogy ilyenkor lefejeljük a szélvédőt. Ez az elmozdulás az úgynevezett tehetetlenség miatt következik be, mert a testünk a fékezés előtti sebességgel és irányban szeretne tovább haladni. De ez egy másik történet, úgyhogy most maradjunk a súlypontnál.
Amikor a fékezéstől mi előre dőlünk, akkor az autó is előre dől. Ha lehetséges lenne ilyenkor mérlegeket rakni a kerekek alá, akkor az első kerekeknél lévők magasabb értéket mutatnának, a hátsóknál lévők pedig alacsonyabbat, természetesen ahhoz képest, mint amikor az autó egy helyben áll. Ez ugye azt jelenti, hogy a súlypont ilyenkor előre tolódik el. Gyorsításkor pont ugyanez a helyzet, de olyankor a hátsó kerekeknél mérünk nagyobb súlyt, az elsőknél kisebbet, a súlypont tehát hátra tolódik el.
Tipp:
Természetesen léteznek olyan szenzorok, amiket a lengéscsillapítóba építve leolvasható az éppen aktuálisan rájuk nehezető súly. Ezeket nem csak teherautókban, de versenyautókban is használják, persze alapvetően adatgyűjtési céllal. Az ilyen szenzorok csak az úgynevezett rugózott tömeget képesek mérni, a rugózatlant nem, tehát nem adnának teljesen pontos értéket, legalábbis ami a tömegközéppontot illeti.
Amikor kellő sebességgel kanyarodunk, akkor jobbra vagy balra dőlünk az ülésben (mindig a kanyar külső íve felé), hiszen a tehetetlenség miatt egyenes irányban mozognánk tovább, ha nem lenne a tapadás. Ennek megfelelően az autó is (a futómű keménységének függvényében) jobbra vagy balra dől, mindig a kanyar külső íve felé. Ha ilyenkor tudnánk mérleget tenni az autó kerekei alá, akkor ezek a mérlegek nagyobb súlyt mérnének, a belsők pedig kisebbet, ahhoz képest, mint amikor az autó egyenes irányban, egyenletes sebességgel halad, vagy egy helyben áll egy vízszintes felületen.
Amikor az autó gyorsít, lassít vagy kanyarodik, akkor a futóművéből adódóan az egyes kerekekre ható erő folyamatosan változik. Ez abból is látszik, hogy egyes rugók összenyomódnak, míg mások kirugóznak. Az autó teljes tömege természetesen nem változik meg, az továbbra is ugyanannyi marad mint álló helyzetben volt. Mindössze annyi történik, hogy ez a tömeg a négy kerék között más arányokban oszlik el. Merev futóműnél is ugyanez a helyzet, például egy gokartnál, ahol nincsen rugós felfüggesztés, de mivel ott nincs elmozdulni képes alkatrész, így az átterhelődés kevésbé látható. Ugyanakkor minél keményebb egy futómű (a gokart a legkeményebb, hiszen elmozdulni nem képes), elvileg annál nagyobb kanyarsebesség érhető el, mert az enyhébb súlypont áthelyezés miatt az ívbelső kerekek kevesebb tapadást veszítenek. Zárójelben jegyzem meg, hogy a profi gokartosok pont ezért mindig a kanyar belső íve felé dőlnek, nem kifelé, mert ezzel is növelik az ívbelső kerekekre jutó normál erőt! Autóban ezt hiába is tesszük meg, a mi súlyunk elenyésző az autó súlyához képest, így nem érhetünk el vele túl nagy eredményt.
Súlypont áthelyeződés kanyarodás közben
Nézzük hogy mi történik a súlyponttal, amikor verseny közben balra kanyarodunk.
Ahogy az
előző részekben már megtanultuk, az egyenesben elkezdünk fékezni. Ilyenkor az autó eleje elkezd lesüllyedni, úgy mondjuk hogy bólint. Mindez azért történik, mert a fékezéskor fellépő erők miatt a súly előre tolódik el, a rugókra nagyobb erő hat, ezért összenyomódnak.
Amikor felengedjük a fékpedált és elkezdünk bekanyarodni, a kisebb lassulás miatt az autó súlya elkezd hátrafelé mozdulni (a súlypont nyugalmi állapota felé), és ugyanakkor az ív külső oldala felé is. Azért a külső oldal felé, mert a tehetetlenség miatt tapadás hiányában egyenes vonalban szeretne tovább haladni, az előző egyenes szakasznak megfelelően. Amikor a kanyar csúcspontjához közeledünk (itt ugye már nem fékezünk és nem is gyorsítunk), akkor egyenletes sebességgel haladunk, ezért a súly az X tengely irányában elkezd kiegyenlítődni az első és hátsó kerék között. Eközben persze az ív külső és belső kerekek között ez a kiegyenlítődés nem történik meg, a nagyobb súly továbbra is a külső kerekekre jut.
Amikor elhagytuk a kanyar csúcspontját, elkezdünk a kanyarból kijönni. Ilyenkor lassan egyenesbe állítjuk a kormányt, aminek hatására a külső és a belső kerekek között elkezd kiegyenlítődni a súlyeloszlás. Megkezdjük a kigyorsítást, aminek hatására a súly a hátsó kerekek felé kezd elmozdulni, egyre inkább kiegyenlítetten a jobb és bal oldal között. Ezért az autó eleje felemelkedik, a hátulja pedig lesüllyed.
Miért is fontos mindezt tudni? Miért fontos, hogy vezetés közben mikor melyik abroncsra milyen súly nehezedik? A válasz nagyon egyszerű! Emlékezzünk vissza, hogy mit tanultunk a tapadásról! A tapadás 3 fő részből tevődik össze:
- tapadási együttható
- abroncsot terhelő erő
- kontaktfelület mérete
Ha tehát változik az abroncsot terhelő erő, akkor változik a tapadás is! Amelyik kerékre nagyobb súly nehezedik, ott nagyobb lesz a tapadás, amelyikre kevesebb, ott kisebb. Ahogy a súlyeloszlás változik a kerekek között, például kanyarodáskor, ugyanúgy változik az egyes kerekek tapadása is. Vagyis ahogy a súlyeloszlás mozog az autóban, ugyanúgy mozog a tapadás is a kerekek között.
Elsőre ez úgy hangzik, mintha hátrány lenne, hiszen ha nincs tapadás, akkor nem tudjuk az autót sem irányítani. Az igazság azonban az, hogy ez az egyik fontos dolog ami elválasztja a vesztes versenyzőt a nyertes versenyzőtől.
Gyors pilóták a hasznukra tudják fordítani ezt a jelenséget, de hogy hogyan és miért, arról a sorozat következő részében lesz majd szó!
Ha úgy érzed, hogy a fenti tippek sem biztosítottak számodra megfelelő köridőket, személyes tanácsadásra vagy oktatásra van szükséged, szeretnéd a fentieket balesetveszély és anyagi károk nélkül kipróbálni és begyakorolni, akkor várunk sok szeretettel a Vas Garázsban, a VAS-01 professzionális szimulátorral.
Referenciák:
https://hu.wikipedia.org/wiki/T%C3%B6megk%C3%B6z%C3%A9ppont
https://www.formula1-dictionary.net/centre_of_gravity_machine.html
https://www.youtube.com/watch?v=ZyGC1JgANbA
