Araç Nasıl Hareket Eder? Çekiş Kuvveti Yol Tutuşu Patinaj ve Sürtünme

Bölüm-1- 2 - 3 - 4 -5

Araç Nasıl Hareket Eder? Çekiş Kuvveti (Tork) Yola Nasıl Aktarılır? Araç Neden Patinaj Yapar?  Yol Tutuşu Nedir? Sürtünme Kuvveti Nedir? 

Bir motorlu aracın hareket ettirilebilmesi için, araca uygulanan kuvvetin atalet kuvvetinden büyük olması gerekir. Aracın hareket edebilmesi için gereken kuvvetin hesabında, temel fizik kulları geçerlidir.

F= m . g  formülüne göre, aracın kütlesi ve ivme, kuvvet  miktarını belirler.

Bir araç hareket ettiğinde, her zaman tahrik kuvvetine karşı kuvvetler  oluşur, aracın hareket etmesini zorlaştıran bu kuvvetler direnç kuvvetleridir. Direnç kuvvetleri;  hareket direnci ve hava direncinden oluşturur.

Hareket direnci, yoldan yuvarlanan tekerleklerin dönüşünü zorlaştıran bir etki gösterir. Hareket direnci kuvveti; aracın kütlesine, yol-zemin ve lastik şartlarına göre değişir. Lastiklerin yuvarlanma direnci de buna dahildir. 

Hava direnci (aerodinamik direnç) de aracın hareket yönüne zıt yönde, yavaşlatıcı bir etki gösterir. Aracın hızı arttıkça hava direnci de artar, özellikle yüksek hızlarda hava direnci çok büyük değerlere ulaşır, aracın hızlanması zorlaşır; hızlanma için büyük güç üretilmesi gerekirken, mevcut hızı korumak için da yük güç gerekir.

Araç düz yolda giderken gaz pedalı bırakıldığında aracın durmasına sebep olan şey bu “direnç kuvvetleridir”. Aracın yavaşlamasına ve durmasına sebep olan Direnç kuvvetleri şunlardır:
*Aracın kütlesi. (F= m.a formülündeki "m"). Hem atalet kuvvetini hem den sürtünme kuvvetini bu m kütlesi oluşturur.
*Lastiklerin yuvarlanma direnci. Lastikler dönerken sürekli deforme olur ve bu sırada enerjinin bir kısmı ısıya dönüşür. (Bkz: Lastik Yuvarlanma Direnci)
*Yokuş çıkmak. Araç düz yolda giderken, yuvarlanma direnci ve hava direncine karşı iş yaparken, yani bu zıt yönlü kuvvetleri yenerken; eğer yokuş çıkıyorsa bir de yer çekimine karşı iş yapmış olur. Yani aracın yükselmesi çok büyük bir direnç kuvvetidir.
*Hava Direnci: Aerodinamik etki. Araç yolda ilerlerken, hava kütlesinin içinden geçer ve bu hava, aracın hareket yönüne zıt yönde bir etki göstererek aracı durdurmaya çalışır. Örneğin yolda giderken aracın arkasında bir paraşüt açılsa, rüzgar direnci öyle büyük olur ki, araç çok kısa sürede durur. Örneğin karşıdan esen rüzgarlı havada araç daha çok yakar. Üreticiler, araçları en az rüzgar direnci oluşacak şekilde tasarlarlar, bu yakıt tüketimini ve performansı direkt etkiler. 

Araçlarda hareket kuvveti (tahrik kuvveti) motor tarafından üretilir.

*Aracın hareket kuvveti, direnç kuvvetinden küçük olursa araç yavaşlar. (Ftahrik<Fdirenç)

*Aracın hareket kuvveti, direnç kuvvetine eşit olursa, araç sabit hızla ilerlemeye devam eder. (Ftahrik=Fdirenç)

*Aracın hareket kuvveti, direnç kuvvetinden daha büyük olursa, araç hızlanır. (Ftahrik>Fdirenç)

Aracın çabuk hızlanabilmesi için, tahrik kuvvetinin (motor gücünün) büyük olması gerekir.

Araçta Üretilen Hareket Kuvvetinin Yola Aktarılması

Motorlu araçlarda, motorda üretilen gücün harekete dönüştürülebilmesi için, tahrik kuvvetinin tekerlekler vasıtasıyla zemine iletilmesi gerekir. Otomotivde yola aktarılamayan itme kuvvetinin hiçbir anlamı yoktur.

Aracın çekiş kuvvetinin harekete dönüşebilmesi için, kuvvetine lastikler tarafından yola aktarılması gerekir. Burada sürtünme kuvveti devreye girer. Lastik ve zemin arasındaki sürtünme kuvveti sayesinde; araç hareket  edebilir (hızlanma) ve durabilir (frenleme). Sürtünme kuvveti yoksa, hareket de oluşmaz.
Araçta güç, motorda üretilir. Üretilen güç tekerlekleri döndürür ve araç hareket ederse, motora "iş" yaptırılmış olur, İş formülü: W= F x s ‘dir. (W: İş (Nm) F: Kuvvet (Newton) s: yol-mesafe (Metre)). Formüle göre kuvver (F) var, yol da (s) var; Öyleyse araç motor gücüyle ilerliyorsa, iş yapıyor demektir. 
Araç yokuş aşağı inerken veya gaz pedalına basılmadan düz-hafif eğimli yolda ilerliyorken, MOTOR İŞ YAPMIYORDUR. W= F x s. Araç ilerliyor s "yol" var, fakat motordan tekerleklere iletilen kuvvet "F" yok, sıfır. Öyleyse iş yapılmıyor demektir.
Araç patinaj çekiyoken neler oluyor? W= F x s (iş= kuvvet x yol). Bu durumda kuvvet (F) var, ama bu defa da yol (s) yok, s=0, bu durumda araç yine iş yapmıyordur. 


Motor Torkunun Tekerleklere İletilmesinde Yakıt Enjeksiyonunun Durumu

Araç viteste, gaz pedalına basılıyor, yol düz veya yokuş çıkılıyor: Motor tekerlekleri döndürür. Motora yakıt püskürtülür, motor tork (döndürme kuvveti) üretir, bu döndürme kuvveti tekerleklere iletilir ve araç hızanır veya hızını korur. Aracın düz yolda sabit hızla gidebilmesi için de gaz pedalına basmak gerekir, çünkü rüzgar direncine karşı, yuvarlanma direncine karşı ve yol-lastik arasındaki sürtünme kuvvetine karşı koymak için, motorun güç üretmeye yani tekerlekleri döndürmek için kuvvet göndermeye devam etmesi gerekir. Sahip olunan hız ile, talep edilen hız arasındaki fark ne kadar fazla olursa, yani bunun için gaz pedalına ne kadar çok basılırsa, veya çıkılan yokuşun eğimi ne kadar fazlaysa, motor yükü o kadar çok artar. Motor yükü ne kadar fazlaysa, püskürtülen yakıtın miktarı da o kadar fazla olur. 

Araç boşta veya debriyaj pedalına basılmış , gaz pedalına basılmıyor, araç düz veya yokuş aşağı yolda akıyor (kendiliğinden gidiyor): Motor tekerlekleri döndürmez. Motora rölantide çalışacak kadar yakıt püskürtülür. Rölanti, bir motorun vuruntu yapmadan çalışmasını sürdürebileceği en düşük motor devridir. Araç, düz yolda gidiyorsa direnç kuvvetleri sebebiyle zamanla yavaşlar ve durur. Bir yokuştan iniyorsa, yokuşun eğimine göre hızlanabilir  veya yavaşlayabilir. Sonuçta bu araç yakıt tüketmeye devam eder, çünkü motorun çalışabilmesi için (krankın dönebilmesi için) yakıta ihtiyacı vardır. 

Araç viteste, gaz pedalına basılmıyor, araç düz yolda veya yokuş aşağı hareket ediyor, akıyor: Motor tekerlekleri döndürmez, TEKERLEKLER MOTORU DÖNDÜRÜR. Bu durumda yakıt enjeksiyon sistemi, motora yakıt göndermez, yol bilgisayarında yakıt tüketimi 0 görünür. Araç viteste, motor ve tekerlekler arasındaki bağlantı devam ettiği için; aracın hızından kaynaklanan hareket enerjisi (kinetik enerji) sebebiyle, tekerlekler motoru döndürmeye çalışır, yani hareketin yönü tamamen ters döner. Bu duruma motorun kompresyona (sıkıştırmaya) binmesi de denir. Burada olan şey, aracın ilerlemek istemesi, tekerleklerin dönmek istemesi, fakat motorun bu kadar dönmek istememesidir, çünkü yakıt gelmiyor. Motor kompresyon yapıyor fakat yakıt gelmediğinden güç üretmiyor, bu durumda motor, aracı yavaşlatıcı bir etki gösterir. Araç zamanla yavaşlar ve durur. Yakıt gönderilmeyen motorun yavaşlatıcı etkisini arttırmak için vites küçültülür; artan dişli oranı sebebiyle tekerleklerin hızı azaltılır. Ya da aracın daha uzun süre serbestçe akabilmesi için vites yükseltilir, böylece motorun yavaşlatıcı etkisi, düşük vites oranı sayesinde tekerlekleri çok fazla yavaşlatmazken, motor devrinin de çok yükselmediği görülebilir.  

Sürtünme Kuvveti Nedir ? Nelerden Etkilenir?

Sürtünme kuvveti; yol ve lastik arasındaki sürtünme katsayısına ve aracın ağırlığına (dikey kuvvet) bağlıdır.

Fsürtünme= Sürtünme katsayısı x Araç ağırlığı

Fs= µ . Fkütle

Sürtünme katsayısı (µ “mü”); lastiğin yapısına, yolun fiziki durumuna (ıslak-kuru-çamurlu-karlı-buzlu-asvalt-mıcırlı) bağlı olarak değişir.

F kütle (aracın ağırlığı) ise aracın yapısına, yüküne bağlıdır.

Sürtünme kuvvetini arttırmak için, sürtünme katsayısını ve aracın ağırlığını arttırmak gerekir. Aracın ağırlığını arttırmak yakıt tüketimini arttıracağı için, tasarım-üretim tasarımda bu yola gidilmez, fakat karlı-çamurlu yolda patinaj yapan tekerleklerin üzerine ağırlık koymak, sürtünme kuvvetinin artması için iyi bir yöntemdir.

Diğer yanmadan sürtünme katsayısının yüksek olması için, kaliteli lastikler ve iyi bir yol (kuru asfalt) faydalı olacaktır. Islak, kaygan zeminde sürtüme katsayısı düşeceği için, sürtünme kuvveti de azalır; araç hareket etmek istediğinde patinaj yapar, frenleme anında ise tekerlekler kayar.  Sürtünme kuvveti çok düşük olduğunda istendiği anda ilerlemek ve durmak mümkün olmaz.

(Frenlemede Sürtünme Kuvveti)

Örneğin karlı bir yolda sürtünme katsayısı (µ) 0,5 olduğunda, aktarılabilen kuvvet yarı yarıya düşer. Kuru bir yoldaysa sürtünme katsayısı yaklaşık µ=0,9 olur; sürtünme kuvveti iki kat artar. Sürtünme kuvvetinin azalmaması için, araç yükünün arttırılması gerekir.

İyi bir sürtünme kuvveti, iyi bir yol tutuşu anlamına gelir, aracın rahatça hareket ettirilmesini ve hızlanmasını sağlar veya güvenli bir şekildeki yavaşlamasına veya durmasına imkan verir.

Yol ve lastikler arasındaki sürtünme kuvvetinin iyi olması; virajlardan güvenli dönüş yapılmasını sağlar. Araç virajı dönüyorken yanal (merkez kaç) kuvvetlerine maruz kalır, sürtünme kuvveti yanal kuvvetlerden fazlaysa, araç virajı kaymadan dönebilir; sürtünme kuvveti yanal kuvvetten daha azsa, araç virajı alamayacak ve kayacaktır.

Araçta tahrik kuvveti (hareket kuvveti), motorda üretilir ve aktarma organlarında (şanzıman-diferansiyel) düzenlenir-değiştirilir ve tekerleklere iletilir.

Bir araç ne kadar güçlü olursa olsun, yani tahrik kuvveti ne kadar fazla olursa olsun; bu kuvvet ancak sürtünme kuvvetinden küçük olduğunda bir anlam ifade eder. Yani sürtünme kuvvetinin her zaman tahrik kuvvetinden büyük olması gerekir.

 (Fsürtünme>Ftahrik= İyi Çekiş)

Tahrik kuvveti, sürtünme kuvvetinden büyük olduğunda, tekerlek patinaj yapar (kayar).

Bir aracın hareket edebilmesi için, tahrik kuvvetininin sürtünme kuvvetinin küçük olması gerekir; öte yandan yine tahrik kuvvetinin direnç kuvvetinden de büyük olması gerekir.

İyi bir yol tutuşu ve hareket edebilme kabiliyeti için aşağıdaki denge sağlanmalıdır:

F(Direnç Kuvveti) < F(Tahrik Kuvveti) < F(Sürtünme Kuvveti)

Karlı Buzlu Yolda Neden Yüksek Vitese Takılır?

Buradan şöyle sonuçlar da çıkarılabilir: Islak veya karlı bir yolda aşırı gaz vermek (1.viteste), tahrik kuvvetini aşırı arttırır, yol ıslak-karlı olduğundan sürtünme kuvvetiyse azalmıştır, şartımız sürtünme kuvvetinin, tahrik kuvvetinden küçük olmasıydı, sürücüyse tahrik kuvvetini daha da arttırdı, bu durumda araç hareket etmez, patinaj yapar. Oysa düşük gaz vermek ve 2. Vitesi kullanmak tahrik kuvvetini azaltacak ve sürtünme kuvvetinin de altına çekerek lastiklerin tutunmasına imkan verecektir. Sürücünün bu dengeyi ayarlaması aslında biraz zordur, bu sebeple ASR (anti patinaj) sistemi geliştirilmiştir, patinaj yapan tekerleğe fren kuvveti uygulanır, o tekerleğin dönme kuvveti azaltılır ve sürtünme kuvvetinin altına çekilir, böylece tekerlek kaymayı (patinajı) bırakarak dönmeye başlar, araç hareket edebilir.

Arabalarda Hızlanma

Aracın Hızlanması Nasıl Artar ? Araçta İvme Hangi Faktörlere Bağlıdır ?

Aracın çabuk hızlanabilmesi için ve ivmelenmesinin yüksek olması için;

*Güçlü motor, yüksek beygir gücü. (HP-PS)

*Yüksek motor torku ve motor torkunun düşük motor devirlerinden itibaren maksimum değerine ulaşabilmesi ve geniş motor devri aralığında maksimum tork değerini koruyabilmesi  (Nm)

*Aracın ağırlığının hafif olması (düşük şasi kütlesi)

*Düşük rüzgar direnci, iyi bir gövde tasarımı (aerodinamik) yapı.

*İyi ayarlanmış vites kutusu dişli oranları (vites oranları)

*İyi ayarlanmış diferansiyel dişli oranı (son dişli oranı)

Araçta üretilen tahrik kuvvetinin-çekiş kuvvetinin (torkun), lastiklerle yola tam olarak iletilebilmesi, yani çok iyi bir yol tutuşu. İyi bir yol tutuşu yüksek hızlanma performansı sunduğu gibi, iyi bir frenleme-yavaşlama (negatif ivme) performansı da sunar. 

Hız Nedir ?

Otomotivde hız birimi kilometre bölü saattir : km/h. Hız, birim zamandaki yer değiştirme miktarı olarak tanımlanır. Km/h bir saatte alınan yoldur.

Hız formülü: V= x / t  

(V:hız(km/h), x:yol(km), t:zaman(saat)) Hız birimi: km/h

Hızlanma (İvme) Nedir?

Otomobillerde hızlanma, fizikteki pozitif ivmedir, aracın hızının bir zamandaki değişimine ivmelenme (hızlanma -  acceleration) denir. Hızlanma (ivme) aracın saniyede kaç metre hızlandığını gösterir.

Hızlanma (ivme) hesaplamalarında; zaman saniye olarak ve mesafe metre olarak alınır. Bu sebeple km/h olarak hız bilgisi verilirse, bunu metre bölü saniyeye (m/sn) çevirmek gerekir.

İvme (Hızlanma): Hızın zaman içindeki değişimidir.

İvmenin formülü: a=v/t   

(a:ivme (m/sn²), v:hız(m/sn) )  Hızlanma (ivme) birimi m/sn² dir.

Hız birimleri çevrildiğinde;

1km/h hız = 0,277 m/sn ‘ye eşittir veya  10km/h’lik hız= 2,8 m/sn hıza eşittir.

Ortalama ivme (hızlanma); hızdaki değişimin (son hız ile ilk hız arasındaki farkın), geçen zamana bölünmesiyle bulunur.

a= ΔV/ Δt

a: ivme (m/sn² )

ΔV: Hız  değişimi (Vson – Vilk)

Δt: Geçen süre  

Arabada İvme (Hızlanma) Hesaplaması

0’dan 100 km/h’lik hıza 8 saniyede ulaşan bir aracın ivmesini hesaplayalım.

V: Hız: 100 km/saat = 28 m/sn hıza eşittir.

t: 8 sn

Ortalama ivme (hızlanma); hızdaki değişimin (son hız ile ilk hız arasındaki farkın), geçen zamana bölünmesiyle bulunur.

a= ΔV/ Δt

a= (28 m/sn) / 8sn = 3,5 m/sn²   (Aracın ivmesi)

Aracın frenleme performansı ise negatif ivmeyi, yavaşlama hızını verir. Örnekteki araç 100km/h hızdayken frene basıldığında 4 saniyede durursa, oluşan negatif ivmeyi hesaplayalım.

 Hız: 100 km/saat = 28 m/sn hıza eşittir.

a= ΔV/ Δt

ΔV= Son hız – İlk hız ise ΔV= 0 - 28 m/sn olduğuna göre ΔV= -28m/sn

a= (-28m/sn) / 4 sn ise a= 7 m/sn²   Görüldüğü gibi daha büyük bir negatif ivme söz konusu, bunun için aracın frenleme gücü, motor gücünden daha büyük olmalıdır.

Bölüm-1- 2 - 3 - 4 -5