ここから本文です

車のブレーキって踏む力を変えなければ加速度は一定になりますか?

アバター

ID非公開さん

2019/4/907:39:22

車のブレーキって踏む力を変えなければ加速度は一定になりますか?

私が考える限り一定になるのですが、以下の考察に何か見落としや間違いがあれば教えて下さい。

1.まずブレーキ中にタイヤとブレーキパッド(ディスク)の間に働くのは動摩擦であり、動摩擦係数は面同士の関係で決まるのでブレーキ中に変化することはない。
2.動摩擦は速度に関係なく垂直効力のみに依存するのでブレーキの踏力が一定であればブレーキ中に減速していっても変化しない。
3.従って踏力が変化しなければ停止するまでタイヤを止める方向に働く力Fは不変であるため、運動方程式a=F/mより車の加速度も一定のままである。

以上です。また、私が想像できる範囲で加速度が変化してしまう状況は以下の通りです。

※ブレーキ中に路面が変化した(タイヤと地面の摩擦係数が変化)
※ブレーキの油圧システムに何らかの調整が働くためブレーキペダルの踏力が一定でもブレーキ力が変化する

と、ここまで書いて新たな疑問が湧いたのですが、ブレーキをかけた時のタイヤと地面の摩擦って静摩擦じゃないでしょうか。動摩擦ならタイヤが空転、もしくはロックしてスリップしてる状態ですよね?静摩擦力は動き出す直前の最大の力なので、もし静摩擦力で減速しているなら、ブレーキ中に加速度も変化するかなと思ったりしてよく分からなくなりました。地面とタイヤの摩擦力は常に滑り出す直前の静摩擦力な訳ないですよね?でも、ブレーキパッドの動摩擦力が一定なら地面とタイヤの静摩擦力も一定になるのかな?難しいです。

閲覧数:
34
回答数:
2

違反報告

ベストアンサーに選ばれた回答

coc********さん

2019/4/1121:23:24

「ブレーキ」とは何か?パッドとローターの間が「動摩擦」であることは確かですが、「摩擦力」がブレーキ力ではなく、
ブレーキとは「運動エネルギーを熱エネルギーにして発散させることで、車体を減速(マイナスの加速)させる装置」」です。「タイヤの回転をローターをパッドで挟み込む摩擦力で止める装置」ではありません。
減速させるのは「車体」であり、「タイヤの回転」ではないのです。
ブレーキを「パッドで挟みこむ力」と考えると「ブレーキのフェード」という現象も説明できません。

どういうことか?

物理法則はベクトルの向きを変えても成立するので、まず「プラスの加速」を考えてみてください。
その時、
a=F/m;加速度=力÷車重
として、Fに「エンジンのパワー」を入れますよね?実際にはそこに各種抵抗やギア比が入りますが、Fにはエンジンのパワーを入れてプラスの加速を考える。

同様に「減速=マイナスの加速」も
ーa=F/m;加速度=力÷車重
として、Fに「ブレーキ力」を入れればいい。
ではブレーキ力とは何か?
ブレーキ力とは発熱量です。

発熱量Qは、
Q=mCΔT(m;発熱体の質量、C;比熱、ΔT;上昇した温度)で表されます。

m;発熱体の質量・・・水1Lを沸かす熱量より水10Lを沸かす熱量の方が大きいですよね?それと同じでブレーキローターが重いほど熱量が大きくなります。ローターの場合は厚みがほぼ同じなので、重いということは直径が大きい、ということになります。なので、ローターの直径が大きいほどブレーキ力は大きくなります。
というか、大きくならなければ、重いハイパワー車は大きなローターをつけていません。

C;比熱・・・温まり易さ。いわゆる高μパッドは「摩擦力」の大きいパッドではなく「摩擦熱」が大きいパッドです。
そして、パッドは「弾性体」ですので、接触面積が大きいほど摩擦熱の発生も大きく、接触速度が速いほど摩擦熱の発生も大きくなります。って、パッドを大きくして摩擦力が増えないなら、レーシングカーはどれも小さなものしか付けてないはずです。

ΔT;上昇した温度・・・鉄ローターだと500℃くらいまでしか上がりませんが、カーボンにすると1000℃くらいまで上がります。だからカーボンブレーキは効きます。
・・・「ブレーキのフェード」とは、普通なら20℃のローターにブレーキを掛けて300℃まで上昇させ280℃上昇分の熱量が発散されて車体が減速するところ、何度かブレーキを掛け続けローターの温度が200℃まで上がってしまっていると次にブレーキを踏んで300℃にしても100℃上昇分しか熱量が発散されないので、車体の減速度が小さくなってしまう。という現象です。
このフェードを考えただけでも、ブレーキ力=発熱量、と考えないと車の運動は説明できないことがわかるかと思います。


従って、ブレーキを踏む力が一定でも、
時速100キロから60キロのブレーキと、60キロから20キロのブレーキでは、摩擦熱の発生量が大幅に違います。100キロからのブレーキの方が、接触速度が高いために摩擦熱の発生量が大きいからです。
同様に20キロからブレーキを踏むと、摩擦熱の発生量は小さくなります。
弾性体の摩擦力は、垂直荷重だけでなく、
接触面積、接触する速度、温度、弾性率などに影響されるからです。

但し!!
停止している自動車をローラー試験台の上に載せて、ブレーキを踏んだ状態でローラーを動かし、タイヤが動かないようにする「制動力」の場合は、
主に「凝着摩擦力」が作用します。(この場合は、おおざっぱにいって静止摩擦に似ていますが、接触面積が影響する点が大きく違います。普通の静止摩擦は接触面積が関係ありませんから)


※弾性体の摩擦力は、摩擦係数x荷重、ではなく、
凝着性摩擦力+ヒステリシス摩擦力、として表され、
荷重の他に
接触面積、温度、速度、弾性力、方向などが影響します。
詳しくは「弾性体の摩擦力」で各種文献および論文等を探してみてください。


タイヤのグリップに関しては、やはり「弾性体の摩擦力」であり、
単純に静止摩擦と動摩擦で表せるものでも、
グリップ=摩擦係数x荷重、というものでもありません。
タイヤのグリップは
「本来円形の弾性体が、接地面で平らに潰された上に伸ばされ縮められ曲げられてそれが元に戻ろうとするときに発揮される弾性力」です。
それを説明して行くとそれだけで回答欄の文字数オーバーしますので、
出来れば別途質問してください。
回答リクエストでも構いません。

  • coc********さん

    2019/4/1406:23:35

    消しゴムを軽く机に押し付け、
    「ゆっくりと」前後させても消しゴムは温まらない。
    けれど、同じ軽い力で押し付け、
    ごしごしと「出きるだけ速く前後させると」消しゴムは温まります。

    木の棒を擦り合わせて火を起こそうとした場合、
    木の棒をゆっくりあわせていても一向に火は起きません。
    ごしごしと「速く」擦り合わせると煙が出てきてやがて火が起きます。

    なので同じ力でパッドを押し付けても、ローターが速く回転してる時のほうが、ゆっくり回転してる時に比べて、擦りあわされる速度が増えることで、摩擦熱の発生が大きくなる=ブレーキ力が大きくなります。



返信を取り消しますが
よろしいですか?

  • 取り消す
  • キャンセル

この回答は投票によってベストアンサーに選ばれました!

ベストアンサー以外の回答

1〜1件/1件中

s8j********さん

2019/4/909:50:19

その考えの前半は、そのとおり「ほぼ一定」です。ブレーキを踏む力が一定であれば、速度がゼロになる停止時には加速度が突然ゼロになる(加加速度がとても大きくなる)ため、乗り心地が悪くなります。それを防ぐために、普通はブレーキを停止直前に緩め、完全に止まったら再び強く踏みます。
しかし実際には摩擦は複雑な現象です。摩擦係数と垂直抗力の掛け算で摩擦力を表すのは、近似式に過ぎません。なので、「ほぼ」となります。フェード現象(ブレーキの過熱)やブレーキに水が入り込むと大きく変わります。
ブレーキパッド自身の柔らかさも無視できません。

車によっては、ドラムブレーキが使われています。構造上ブレーキ力は一定ではなく、摩擦力により強くなる「自己倍力作用」があります。
あとはABSとかベーパーロックとか色々あります。

タイヤと地面の摩擦はもっと複雑です。大ざっぱに言えば静摩擦の状態で転がっているので、タイヤの摩擦係数が極端に小さくならなければ(ブレーキの摩擦力がタイヤの摩擦力を上回らなければ)タイヤの摩擦係数によって加速度は変わりません。タイヤは滑らないとすれば、地面とタイヤが歯車で噛み合っているようなイメージになります。
実際には、タイヤの柔らかさが強く影響し、走行中は動摩擦の領域と静摩擦の領域が両方存在します。エンジンからのトルクが増えるかブレーキが強くなると、全域が動摩擦となりスリップ状態になります。

返信を取り消しますが
よろしいですか?

  • 取り消す
  • キャンセル

この質問につけられたタグ

みんなで作る知恵袋 悩みや疑問、なんでも気軽にきいちゃおう!

Q&Aをキーワードで検索:

Yahoo! JAPANは、回答に記載された内容の信ぴょう性、正確性を保証しておりません。
お客様自身の責任と判断で、ご利用ください。
本文はここまでです このページの先頭へ

「追加する」ボタンを押してください。

閉じる

※知恵コレクションに追加された質問は選択されたID/ニックネームのMy知恵袋で確認できます。

不適切な投稿でないことを報告しました。

閉じる