Peatükk 4: Kaalusiire

Igal autol on mingi kaal, staatilises olekus (liikumist ei toimu), on see kaal jagatud nii, nagu kirjeldatud peatükis 6. Newtoni kolmas seadus, jõud = mass * kiirendus, näitab, et kui auto kiirendab mingis suunas, ilmnevad lisajõud. Näiteks, kui auto maandub peal hüpet, tema kukkumiskiirus väheneb järsult. Põhimõtteliselt, ta lõpetab kukkumise üsna järsult. Sellega seotud lisajõud on võrdne auto massi ja kiirenduse korrutisega.

Pannes selle numbrilisse näitesse: oletame, et auto on kukkunud 1 sekundi. Vahetult enne kokkupuudet maaga on tema kukkumiskiirus  G * 1 = 10 m/s. Oletame, et auto kaalub 1 kg = 10 Newtonit ja tema vedrustusel kulub 0.1 sekundit maandumislöögi vastuvõtmiseks. Rehvidele mõjuvad jõud on 1kg * 10m/s / 0.1s = 100N = 10kg. Nii et murdosa sekundi jooksul, mil auto maandub, on tema kaal 100 N 10 N asemel.

Iva, mida ma üritan siin välja tuua, on see: auto kaal  ja sellega koos ka rõhk rehvidele muutub pidevalt. Auto mass on sellegipoolest jääv. Tegelikult ei ole; see sõltub kiirusest, kuid teeme praeguseks näo, et hr. Einsteini ei ole kunagi olemas olnud, see ei oma märgatavat mõju nagunii. Välja arvatud juhul, kui sa oled nii kiire, et lähened valguse kiirusele, sel juhul ei ole selles juhendis üldse tõest informatsiooni. Lisajõud eksisteerivad alati, kui on kiirendus, teisisõnu, kui kiiruse suund muutub.

Miks see on oluline, võid küsida. Lihtne: igal rehvil olev kaal määrab tema pidamisvõime ja sedakaudu auto käitumise. Tegelikult võib isegi öelda, et kaalusiirde kontrollimine on kõige olulisem detail võidusõidus ja samas ka see, mis eraldab head juhid keskpärastest. Teadmine, kus su auto kaal on ja rehvide piiri peal hoidmine seda piiri ületamata on see, mis teeb su kiireks.

Kuna me sõidame 3D (kolmedimensioonilises) maailmas, saab kaalusiire toimuda 3 suunas. Kui toimub üles või allaliikumine, lisatakse või vähendatakse kaalu. Vertikaalne dimensioon on teistest kahest erinev gravitatsiooni tõttu. Auto kaal võib muutuda normaalsest (siledal teel) mitu korda suuremaks (hüppest ülesminekul) nulliks (õhus lennates) või väiksemaks (künkast alla liikudes). Õnneks on teistes kahes dimensioonis liikudes kaal konstantne, see saab ainult siirduda ühelt küljelt teisele. Kui kiirendad, siirdub kaal esimestelt ratastelt tagumistele, kuid summa jääb samaks. Kurvi võttes juhtub sama, kuid teises dimensioonis: kaal siirdub sisemistelt ratastelt välimistele ja jällegi jääb summa samaks. Lihtsuse mõttes ignoreerime esimest juhust ja oletame edaspidi, et rada on täiesti sile.
weight transfer steady state
Vaatleme seda autot: selle raskuskese (lilla) asub täpselt keskel. See veereb ühtlase kiirusega (paigal seistes on kiirus konstantselt null), täiesti siledal pinnal, otse edasi, nii et kõik rehvid on ühtlaselt koormatud. Kui auto kaal on W, siis kaal igal rattal on W/4.
Märkus: joonistel on pisike ebatäpsus: sinakasrohelisi nooli tulebvõtta kui kaalu ratastel. Ebatäpsus on selles, et kõik teised jõud on joonistatud autole mõjuvana, need aga on kujutatud auto poolt mõjuvana.

4.1 Põiksuunaline kaalusiire

weight transfer turn
See on sama auto kurvis. Ta liigub endiselt sama konstantse kiirusega siledal pinnal, ainult kiirusvektori suund muutub. Pöörderaadius on samuti konstantne.

Esmalt, kõiki jõude ei ole joonistatud, pilt läheks liiga kirjuks. Igal rehvil on horisontaalne jõud, need neli töötavad kollasele vastu. Need on põhimõtteliselt rehvide haardejõud teepinnal. Kaaluvektorit ei ole samuti joonistatud, see peaks mõjuma raskuskeskmest (lilla) allapoole. Muud on joonisel kujutatud.

Kollane nool kujutab tsentripetaaljõudu. See on kogu auto inertsi tulemus. See mõjub raskuskeskmele ja on suunatud eemale ringjoone keskpunktist, mida mööda auto liigub. See jõud resulteerub autole mõjuvaks pöördemomendiks, millele peab vastavalt Newtoni teisele seadusele leiduma vastumõju. See vastumõju on fakt, et välimised rattad on rohkem koormatud, kui sisemised. Kuna kogukaal jääb konstantseks, lisandub kaal, mis sisemistelt ratastelt vähemaks läheb, välimistele ratastele. Teisisõnu, kaal siirdub kurvis väljapoole.

Tulemusi on mitmeid ja nad on olulised. Rehvide ebaühtlane koormamine tähendab tavaliselt, et kogupidamine halveneb, tulemuseks nõrgem teelpüsivus. Samuti võib eelpoolmainitud moment panna auto rulluma. Selles näites auto ei rullu, kuna tal puudub vedrustus. Auto ei rullu ka juhul, kui raskuskese asub rullumisteljel. See, kas auto rullub või mitte, ei mõjuta siirdatud kaalu kogust (oletades, et raskuskese rullumisel palju ei liigu). See mõjutab aga seda, kuhu enamus siirdatud kaalust läheb. Tõesti, selles näites on asi lihtne: mis tuleb vasakult esirattalt, läheb paremale esirattale ja mis tuleb vasakult tagarattalt, läheb paremale tagarattale. Teisisõnu, auto on sümmeetriline ja nii ta ka jääb, kuna tal ei ole mingit vedrustust. Päris autos on asi teistsugune: oletame, et tagumine ots rullub palju rohkem kui esimene, kuna tagumine rullumispunkt on väga madalal või tagumised vedrud on väga pehmed. Sel juhul kandub rohkem kaalu paremale tagarattale. Muidugi kandub midagi ka paremale esirattale, kuid see on v:aiksem osa. Tulemuseks on alajuhitav auto. Lisaks sellele mõjuvad autole veel ka pidurdamine ja kiirendamine, need siirdavad samuti kaalu eest taha või vastupidi. Sellepärast saab tavaliselt alajuhitava auto pidurdades paremini pöörama, see siirdab kaalu ette, kus selle tekitatud suuremat hõõrdejõudu saab paremini kasutada auto pööramiseks. Kõiki asju arvesse võttes on raske ennustada, kuhu kui palju kaalu liigub. Mängus on palju tegureid nagu vedrujäikused, stabilisaatorijäikused, rullumispunktide kõrgused, vedrustuse käiguulatus...
weight transfer formula
Vaatame esmalt kui palju kaalu siirdub. On lihtne tuletada, et siirdunud kaal (ehk tegelikult kahe ratta kaaluvahe) on võrdne tsentripetaaljõu (kollane) ja raskuskeskme kõrguse korrutisega jagatuna auto rööpelaiusega. Tsentripetaaljõud on võrdne auto põiksuunalise kiirenduse (väljendatuna G-des) ja auto kogukaalu korrutisega. Põiksuunaline kiirendus võrdub auto kiiruse ruuduga, mis on jagatud kurvi raadiusega.

Sellest saame järeldada, et siirdunud kaal on võrdeline raskuskeskme kõrgusega ja pöördvõrdeline auto rööpelaiusega. Sellepärast ehitatakse enamus võidusõiduautosid nii madalad kui võimalik ja nii laiad, kui reeglid lubavad; see minimiseerib kaalusiiret, mis omakorda hoiab ära pidamise vähenemise. Kaalusiire on ka võrdeline auto staatilise kaaluga, veel üks põhjus miks võidusõiduautod tehakse nii kerged kui võimalik, jällegi vähendamaks kaalusiiret. Kaalusiirde kogus sõltub ka teguritest, mis ei ole otseselt seotud auto enda omadused, nagu tema kiirus ja kurvi raadius, mida auto läbib. Fakt, et kaalusiire on proportsionaalne kurvi raadiusega, on üks põhjuseid, miks suur, sujuv raadius on kiireim tee kurvi läbimiseks: see minimiseerib kaalusiiret, maksimiseerides nii pidamist ja teelpüsivust.

4.2 Pikisuunaline kaalusiire

Weight transfer acceleration
Põhimõte on sama, mis põikisuunalisel kaalusiirdel, kuid see mõjub teises suunas. Sel korral liigub auto otse edasi (valge nool) siledal pinnal, kuid ta kiirendab. Teisisõnu, tema kiirus suureneb või eelnevalt kasutatud terminitega väljendades, tema kiirusvektori suurus kasvab, kuid selle suund ei muutu.
Jällegi ei ole kõiki jõude märgitud: autot liigutavaid jõude näiteks. Need mõjuvad vedavate rataste kontaktpindadel ja on valge noolega samasuunalised. Auto kaalu ei ole samuti joonistatud.
Nagu alati, kui auto kiirendab, on olemas inertsjõud, mis mõjub raskuskeskmele (joonistatud kollasega). Selle tulemusena tekib pöördemoment, mida kompenseerib kaalusiire esiratastelt tagumistele. Esisillal kaal väheneb, tagasillal suureneb samavõrra ja seni kuni kiirendus on otsesuunaline, toimub see sümmeetrilisel (paremal ja vasakul ühepalju).
Natuke rohkem kaalu tagaratastel võib olla kasulik, kui auto on tagaveoline ja kiirendab otsesuunas, kuid kuna ees on vähem kaalu, on auto väga alajuhitv. Samad põhimõtted mõjuvad, mis põiksuunalisel kaalusiirdel: kuna rehvid on ebaühtlaselt koormatud, väheneb summaarne pidamine. Sellepärast on kiireim viis kurvi läbimiseks mitte pidurdada ega kiirendada. Pole vaja öelda, et selleks peab sul olema hästi balansis auto, mis ei ole üle- ega alajuhitav.
Teine oluline fakt on, et kaalusiire ei sõltu auto pikisuunalisest kõikumisest. Auto tõenäoliselt sukeldub kiirendusel pisut ette ja kükitab kiirendamisel, kuid kaal sellest ei muutu. Seda muidugi juhul, kui selle käigus raskuskeskme kõrgus oluliselt ei muutu. See võib juhtuda, kui auto vedrustuse negatiivne käik on väga pikk Kujuta ette, mis juhtub, kui auto esiots kerkib üsna kõrgele ja tagaots ei kükita eriti. Raskuskese tõuseb, mis omakorda tekitab suurema kaalusiirde, mis põhjustabrohkem tagapidamist, mis põhjustab esiotsa veel suuremat tõusmist... see on nagu laviiniefekt.

Valem siirdunud kaalu arvutamiseks on väga sarnane eelmisega. Nüüd on see inertsjõu ja raskuskeskme kõrguse korrutis jagatuna teljevahega (rööpe asemel). Inertsjõud on võrdne edaspidise või tagurpidise kiirenduse ja auto massi korrutisega. Seega madal raskuskese ja pikk teljevahea tekitavad vähem pikisuunalist kaalusiiret. Nagu alati, on kaalusiire võrdeline kiirendusega.

Nagu varem selgitatud, peavad võidusõiduautod olema madalad ja laiad, nii et eelneva põhjal võiks oletada, et nad peavad olema ka nii pikad kui võimalik. See ei ole alati tõsi. Tagaveolisele autole näiteks võib natuke rohkem kaalu tagaratastel olla kiirendusel kasulik, et hoida autot spinnimast. Väike alajuhitavus kiirendusel lubab sul panna jõu maha, ilma et peaksid muretsema pidamise kaotuse pärast.
See ei ole ainus põhjus; pika teljevahega autod kipuvad olema järskudes, aeglastes kurvides pisut uimased, nad ei ole piisavalt erksad.Seega üldiselt on pikem teljevahe parem suurtele, sujuvatele, kiiretele radadele ja lühike teljevahe on parem kinnistele, käänulistele radadele.