Dypere undersøkelser fant hvorfor piggfrie vinterhjul har veigrep på is. Det kommer – sammen med friksjon – av skjærkrefter i halvsmeltet is. Kreftene kunne forskerne beregne med termodynamisk matematikk. Av alle ting. Så piggfritt er ofte tingen.
Bildet øverst: Vinterdekk uten pigg graver seg ned i snøen og danner ved trykk og glidning en tynn hinne av smeltet snø/is og dette gir en god del av veigrepet – skjærkrefter og termodynamikk er forklaringen … Foto Mercedes
Av Stein Bekkevold
Termodynamikk, hva er nå det? Jo, det er fysikken som forklarer varme, energi og arbeid.Læren ble utviklet på 1800-tallet, da varmekraftmaskiner fikk høy temperatur til å bli mekanisk arbeid. Det ble utført mange eksperimenter – og utviklet til dels ubegripelige teorier – for å beskrive prosessene i dampmaskiner, og så i forbrennings-motorer. James Watt var ivrig her.
Prof. dr. Burkhardt Wies i farta; han var i mange år utviklingshøvding i Continental og sto bak oppdagelsen av termodynamisk veigrep. Foto: Forfatteren.
Bevisene
Termodynamikk på mikronivå avgjør altså hvor godt veigrep piggfri gummi har på is og hardpakket snø. Her er bakgrunnen: Gummihjul som ruller på is blir varme av eltingen. Varmen pluss varme fra rulle-friksjonen mellom is og hjul gjør at et tynt toppsjikt på isen smelter og blir en seig sørpe som kan minne om lim. Det er gummiens arbeid med å skjære seg gjennom denne som gjør at dekket får feste.
I tillegg oppstår kohesjon – mellom atomer og molekyler – når hjulet ruller på is der smelte-væsken er fjernet; gummien skaper tørrfriksjon. Summen av alt dette gjør at piggfrie dekk ofte har godt nok grep på vintervei, om ikke hastigheten er så høy at glidningen hindrer gummi og is i å bygge opp skjærkreftene, de som jobber seg gjennom limet. Den mangeårige utviklingshøvdingen i Continental – prof. dr. Burkhardt Wies – forklarte oss dette. I detalj. Vi fulgte med så godt vi kunne …
Termodynamikk og kohesjon gjør altså at du, om du bor i strøk med godt vedlikeholdt vintervei og mye trafikk, skal kunne klare deg hele vinteren med piggfrie dekk. Dette er noe mange bileiere nå har lært. Bor du andre steder, plikter du å sørge for godt nok ekstragrep, med piggdekk og/eller piggkjetting – eller tilsvarende. Sånn er lovverket. Det er ulovlig å ta sjansen på at det går bra.
For å få veigrep på is må overflatevannet fjernes like effektivt av vinterdekk som av sommerdekk, ellers oppstår vannplaning. Det er gummiens friksjonskontakt med isen som gir feste. Foto Continental
Gummiteknikk
Det som gjør piggfrie dekk så bra, er deres mykhet. Gummien må være så myk at dekket får stor kontaktflate: Tenk jernbanehjul, de er laget av stivt stål og deformeres ikke mot underlaget, så der er friksjonsområdet under en millimeter. Dette går an fordi trykket er så enormt per mm2. Men et bilhjul må ha en anliggende flate stor som en flat neve.
Dette gikk ikke med de gamle stive vinterhjulene -som var stive for å klare å holde på den tidens pigger, så forskerne hos Viking i Askim, Gislaved (Sverige) og tyske Continental utforsket den piggfrie, myke vintergummien.
Her fikk de hjelp av flyindustrien, som lenge hadde lett etter mykere vintergummi. Etter hvert oppdaget ihuga akademikere at noen luringer (Hoffman & Harries) alt i 1909 fikk patentert en syntetisk type gummi som var nesten helt lik naturgummi (kautsjuk) i molekyl-oppbygning. Altså var den vintermyk.
Men den syntetiske tålte søl av hydrokarboner som olje og drivstoff, noe myk naturgummi ikke gjør. Lykken var gjort, og kunstig naturgummi – som Viking kalte den – var født. Dette var egentlig en myk plast (elastomer) som kjemikere kalte cis.1,4.polyisopren. Noe skulle den jo hete. Nesten helt lik (med formel C8H16) er hovedtypen som nå er i bruk i piggfrie vinterhjul: styren-butadien-gummi SBR.
Begge var en så myk kunstgummi at de kunne bygge mer såle-elastiske vinterdekk av den, og få stor, godt formbar anleggsflate selv i kulde, men de måtte skape store gummiblokker i mønsteret (stor gummikontakt/høy friksjon), og dessuten slisse dem kraftig opp for å gjøre dem ekstra bøyelige. Piggfrie vinterdekk var født. Men fortsatt måtte også denne plastgummien vulkaniseres. Og hva er nå det?
Goodyear
Straks må vi nevne Charles Goodyear (1800 – 1860). Han var en genial, amerikansk selvlært kjemiker som etter år av forsøk utviklet vulkanisert gummi, noe han fikk patentnummer US 3633 for, den 15. juni 1844. Han har helt alene æren for å ha oppfunnet prosessen for smidig, vanntett, formbar gummi. Oppdagelsen kom etter fem år med leting, på kjøkkenet i leiligheten, til konas økende fortvilelse.
Goodyears oppdagelse satte i gang flere tiår med vellykket gummiproduksjon i Connecticut, og gummien ble straks brukt til regnklær, fottøy og bildekk. Og alt mulig annet. The Goodyear Tire and Rubber Company har navn etter oppfinneren.
Vulkanisering
er en kjemisk prosess som forvandler rågummi fra å være en klissete, plastisk masse til et produkt med gode elastiske egenskaper og høy styrke. Et kjemisk mirakel, der underlige tverrbindinger molekylene imellom helt tryller om noe seigt og ubrukelig til ulike typer gummi – intenst stimulert av svovel.
I dag klarer vi oss ikke uten Goodyears genistrek. Forvandlingen skyldes kjemiske reaksjoner som knytter gummimolekylene sammen i sterke nettverk. Vulkaniseringen må skje etter at hjulet har fått sin form. Derfor må herdingen gjøres i støpeformen. Dette krever omfattende manuell innsats.
Den opprinnelige Goodyear-prosessen gikk ut på å blande inn opptil FEM prosent svovel i rågummien (kautsjuken) og så varme den opp til 130–150 C under trykk i flere timer, oftest i stål-former eller autoklav. Da oppsto koblingene mellom svovelatomer og kautsjukmolekyler. Dagens prosess er smartere og raskere og bruker mye mindre svovel.
Alt dette mens tyggegummi bare er en type godteri som tygges, men ikke svelges. Om du undrer. Sukkerfri tyggegummi skal stimulere spyttproduksjonen og rense tennene.
De fleste moderne varianter er laget av plast fra råolje (!) og søtet med alt annet enn sukker. Da masseproduksjon av tyggegummi begynte i USA på 1800-tallet, ble den laget av den naturlige lateksen chicle og kraftig søtet med sukker – og tannråten florerte.
Det er ikke måte på hva du lærer på bilstoff.no …
Les også: Nesten alle har aluminium felger – trykkstøpt er topp
