Fortsatt ser vi snåle teorier om piggfrie gummihjuls grep på vintervei. Hakkapelitta R5 har mikrokrystaller i gummien – de skal virke som klør. Men det viktige er faktisk termodynamikken!
Bildet øverst: Et piggfritt er ikke tannhjul – riktig gummi med god friksjon gjør jobben.(Foto:TiresEasy)
Av Stein Bekkevold
Vrien fysikk skaper piggfritt grep på vintervei: Myk gummi med riktig miks av to typer: Styren- og butadien-gummi, SBR. Med tett slissede klosser slik at de blir elastiske og gir stor friksjonsflate mot veien. Med gummi som er myk selv i kulde. Her er fysikken bak sikrere piggfri kjøring, om du gidder:
Vannhinne
Det er et naturfenomen at is under trykk smelter, i overflaten. Trykkenergien går noen nanometer inn og blir til varme. Varme er molekyler i bevegelse, is er jo det motsatte.
Frossent vann under trykk/varme blir igjen til vann. Dette styres av termo-dynamiske lover: På toppen av isen ligger et tynt lag vann og halvsmeltet is – sørpe – omtrent 1/2 tidels millimeter tykt. Tykkere blir hinnen ikke før den brytes og pumpes vekk – av dekket. Forsøk viser at krefter som gir feste på is kommer av arbeidet i smeltehinnen.
Grovt vintermønster med godt slissede blokker og kuldemyk nordisk type SBR-gummi gir godt feste! (Foto: Michelin)
Forskning
Professor dr. B. Wies ledet lenge forskningen hos Continental og sto bak forbedringen av piggfrie «nordiske» vinterdekk, sammen med fagfolk i Gislaved og Viking. Han forklarte gjerne hvordan piggfrie dekk får grep på is, og har senere utdypet dette i en universitets-avhandling (An Analytical Thermodynamic Approach to Friction of Rubber on Ice*). Resultatene viser at grepet kommer av adhesjon, kohesjon og viskøs friksjon (skjærkrefter) mellom gummi, sørpe og is.
Det oppstår også krefter fra gummiens hysterese, evnen til å ta opp og returnere energi fra gummi som eltes, og sende den tilbake til veien, som grep. Ellers vil energien bli sittende i gummien som varme, og gi rullemotstand og slitasje.
I avhandlingen beregnes de store og små kreftene, og tallene stemmer med resultatene fra laboratoriene og fra kunstistester ved universitetet, og ved Continentals egne tester på innendørs, datastyrt testbane.
Piggfritt er best om dekkene er av nordisk type – men mønsterdybde er svært viktig! Her på test i Arvidsjaur. (Foto: Continental)
Myk
For å få grep på is må gummien være myk. Og det må være riktig blanding av SBR –som også må tåle sterk kulde. Og myk må den være for at størst mulig gummiflate hele tiden får kontakt med isen. Altså må klossene være effektivt slisset, slik at hver kloss blir formbar og legger seg flatt mot isen, og mønsteret må bryte vannhinnen og pumpe bort alt – i alle lovlige hastigheter!
Det er oppriving av vannhinne under trykk som gir de (sideveis) skjærkreftene som skaffer veigrep, sammen med (atomær) gummiadhesjon og kohesjon – og hysterese. Kreftene oppstår i det første mikrosekundet etter at gummien har gjennomskåret og fjernet vannhinnen. Utpumping skjer i rotasjonsretningen, vannet slynges ut av sentrifugalkreftene – men også på tvers når det pumpes ut fra siden av slitebanen (sålen). Kanalene ser du i dekkets mønster.
I sammendrag
sier studien – for spesielt interesserte: «Vi var motivert av behovet for forbedring av piggfrie vinterdekk, basert på tanker om funksjonelle overflater. Slitebanedesign jobbet før med store, makroskopiske flater. Muligheter for mikroskopiske effekter på vinterføre var ikke godt undersøkt. Vi antok hovedkilden til de målte friksjonskreftene var viskositet ved gjennomskjæring av et lag smeltet is, dvs skjærkreftene. Gummihysterese og adhesjonseffekter synes beskjedne i forhold. Høyden på væskelaget bestemmes av likevekt mellom varmen fra viskøs friksjon, energien i faseovergangen is/vann, og varmestrømning innover i isen (fra arbeidet).
I tillegg regnet vi inn (mikroskopiske) utpumpingsfenomener ved smeltet vann. Disse kommer av deformasjon av gummi i trykksonen. Størrelsen på det mikroskopiske, reelle kontaktområdet i ujevnhetene er avledet via ruhetsparametere for urørt gummioverflate – med GW-kontaktteori – og sammenlignet med målt kontaktareal. Den endimensjonale differensialligningen for høyden til et gjennomsnittlig væskelag løses som stasjonær glidning – med punktvis analyse. Friksjonsskjærkreftene deduseres og integreres over det makroskopiske kontaktområdet og gir en friksjonskoeffisient. Grensebetingelsen i front av kontaktområdet gis av høyden på et «flytende lag» – på urørt is. Tilnærmingen stemmer med laboratoriemålt friksjon. Vi bekreftet de beregnede, styrende forhold til friksjonskoeffisient vedr. istemperatur, glidehastighet og kontakttrykk ved målinger med gummiblokkprøve på kunstis i universitetets laboratorium».
I tillegg gjør gummifolkenes ekspertise på kunstgummi at de stadig finner gode gummiblandinger. 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 stamme, bærelag pluss sidevegg; her teller erfaringene som Continental i sin tid fikk fra Viking i Askim og fra svenskene i Gislaved … Det er derfor deres piggfrie ofte scorer høyest på dekktester. Helt uten finske mirakuløse mikrokrystaller … (vi inviterte Nokian til å kommentere fysikken, men det ville de merkelig nok ikke).
*Forskningen ble utført ved Wiens Tekniske Universitet, og i Continental AG´s laboratorier ved Frankfurt. Arbeidet ble ledet av prof. dr. Burkhart Wies og studien ble skrevet sammen med K. Wiese, T. Kessel og R. Mundt.
