Redaksjonen har fått spørsmål om bevisene bak en tidligere artikkel om at piggfrie dekk stort sett er helt OK på vinterføre. Her er fysikken:
Av Stein Bekkevold
Det er et naturfenomen at is under trykk smelter, først i overflaten. Trykk-energien går noen mikrometer inn i isen og blir varme. Varme er molekyler i bevegelse, is er det motsatte. Frosne vannmolekyler under trykk/varme blir igjen til vann. Dette styres av termodynamiske lover: På isen oppstår et tynt lag av vann og halvsmeltet is – sørpe. Den kan være en halv tidels millimeter tykt. Tykkere rekker den ikke å bli før alt pumpes vekk – av dekket.
Forskning viser at krefter som gir dekket feste på is kommer av dekkarbeidet i smeltehinnen.
Forskning
Professor dr Burkhard Wies ledet i årevis forskningen hos tyske Continental, og sto bak den stadige forbedringen av piggfrie «nordiske» vinterdekk, sammen med fagfolkene i Gislaved og Viking.
Han har mange ganger forklart hvordan piggfrie dekk får grep på is, og utdyper dette i en avhandling (An Analytical Thermodynamic Approach to Friction of Rubber on Ice*).Resultatene viser at grep kommer av adhesjon, kohesjon og viskøs friksjon (skjærkrefter) mellom gummi, sørpe og is.
Det oppstår også krefter fra gummiens hysterese, som er evne til å ta opp og returnere energi fra gummi som eltes. Uten god hysterese vil kreftene forbli i hjulet som varme, og gi rullemotstand og slitasje. I avhandlingen beregnes kreftene, og alt stemmer med resultatene fra laboratoriene og kunstistester ved universitetet, og ved Contis forsøk på deres innendørs, datastyrte testbane.
Myk
For at hjulet skal få grep også på is må gummien være myk. Og det er gummitype SBR** – selv i kulde. Og myk må den være for at største mulige gummiflate skal få kontakt med isen mens hjulet ruller. Altså må klossene i mønsteret være slisset opp slik at klossen blir mer formbar og legger seg flatere mot isen, samtidig som mønsteret må gjøre at vannhinnen brytes og pumpes bort.
Det er oppriving av en vannhinne under trykk (fra hjulet) som skaper de (sideveis) skjærkreftene som gir veigrep, sammen med (atomær) adhesjon og kohesjon – og hysterese.
Kreftene kommer i det første mikrosekundet etter at gummien har gjennomskåret og trykket bort vannhinnen. Utpumping av vann skjer i rotasjonsretningen da det slynges ut av sentrifugalkreftene – men også på tvers da det pumpes ut fra siden av slitebanen (sålen). Kanalene ser du i dekkets mønster.
I sammendrag
sier studien dette – for spesielt interesserte (den er fra 2012): «Studien var motivert av behovet for forbedring av piggfrie vinterdekk, basert på ideer om nye funksjonelle overflater. Slitebanedesign jobber normalt på store, makroskopiske flater.
«Muligheter for mikroskopiske effekter på vinterføre har ikke vært grundig undersøkt. Vi holdt oss til skalaer der gummi er grov, i forhold til en glatt isflate. Vi kan anta at hovedkilden til målte friksjonskrefter er viskositeten ved gjennomskjæring av tynt flytende lag av smeltet is, skjærkreftene. Gummi-hysterese og adhesjons-effekter anses å være beskjedne i sammenhengen.
Høyden på væskelaget bestemmes av likevekt mellom varmen fra viskøs friksjon, energien i faseovergangen mellom is og vann, og en varmestrøm inn i den kalde isen. I tillegg regnet vi inn mikroskopiske utpumpingsfenomener ved smeltet vann. Disse kommer av deformasjon av komprimert gummi i trykksonen. Størrelsen på det mikroskopiske, reelle kontaktområdet ved ujevnhetene er avledet fra ruhetsparametere for urørt gummioverflate – via GW-kontaktteori – og sammenlignet med det målte kontaktarealet.
Den endimensjonale differensialligningen for høyden til et gjennomsnittlig væskelag løses som stasjonær glidning – ved punktvis analyse. Friksjons-skjærkreftene deduseres og integreres over det makroskopiske kontaktområdet og gir en friksjonskoeffisient. Grensebetingelsen i forkant av kontaktområdet bestemmes av høyden på et «flytende lag» på den urørte isen.
Tilnærmingen stemmer med laboratoriemålt friksjon. Vi bekreftet de beregnede, styrende forholdene til friksjonskoeffisienten på istemperatur, glidehastighet og kontakttrykk ved målinger via gummiblokkprøve på kunstis i universitetets laboratorium».
I tillegg til alt dette gjør de tyske gummifolkenes ekspertise på miksen av de to kunstgummiene at de bygger gode vinterdekk. For mye/for lite styren eller for mye/for lite butadien forandrer gummienes oppførsel i kulde og under elting – viktig er også sålegummi og oppbygging av stammen, bærelagene pluss sideveggen; her teller erfaringene som Conti i sin tid fikk fra Viking i Askim og fra svenskene i Gislaved …
Det er derfor de piggfrie fra Continental ofte scorer høyt på dekktester. Dessuten har fabrikken en stor, datastyrt innendørs testbane der alle føreforhold simuleres.
*Forskningen ble i 2012 dels utført ved Wiens Tekniske Universitet, dels i Continental AGs laboratorier utenfor Frankfurt. Arbeidet ble ledet av prof. dr. Burkhart Wies, og studien ble skrevet av ham sammen med K. Wiese, T. Kessel og R. Mundt.
**SBR er Styren Butadien Rubber, en syntetisk gummi som imiterer naturgummi, men som holder seg mykere i kulde, er mer slitesterk og – som på grunn av atombindingene – bedre tåler kontakt med olje og drivstoff uten å svekkes.
Bildene:
Prøvebanen på bildet er Nokians testløype i Finland, Continental bruker en liknende ved Arjeplog nord i Sverige. Dekket på bildet er det nyeste piggfrie fra Continental.
