Zimné pneumatiky, áno či nie?

Často počúvame v médiach informácie ako budú policajti pokutovať vodičov, ktorí nebudú mať po 15. 11. obuté na vozidle zimné pneumatiky. Aby bola informácia čo najhodnovernejšia, pridá sa ku komentáru aj mechanik z pneuservisu, ktorý informuje o nutnosti použitia zimnej pneumatiky vtedy, ak vonkajšia teplota klesá pod 7 °C. Bez ohľadu na to či prší, sneží, je sucho alebo svieti slnko.Legislatívne je používanie zimných pneumatík upravené podľa § 38 ods. 1 zákona č. 8/2009 Z. z. v nasledovnom znení: „Ak sa na vozovke nachádza súvislá snehová vrstva, ľad alebo námraza, vodič motorového vozidla kategórie M1 a N1 môže také vozidlo použiť v cestnej premávke, len ak je toto vozidlo na všetkých nápravách vybavené zimnými pneumatikami s označením „M+S“, „M.S.“ alebo „M & S“; motorové vozidlá kategórie M2, M3, N2 a N3 musia byť vybavené takými pneumatikami aspoň na jednej z hnacích náprav v čase od 15. novembra do 31. marca a v prípadoch, ktoré sú uvedené v časti vety pred bodkočiarkou.“ Takže zimné pneumatiky na bežnom osobnom a malom nákladnom vozidle treba, akonáhle je na vozovke súvislá vrstva ľadu, námrazy alebo snehu. V článku si rozoberieme problematiku po technickej stránke a overíme ju aj v praxi meraním brzdnej dráhy letných pneumatík v zimnom období na štyroch rôznych povrchoch. Na základe týchto exaktných údajov skúsime odpovedať na otázku, či sú potrebné zimné pneumatiky alebo nie.

Ak by sme brali do úvahy aktívnu bezpečnosť ako jediné a univerzálne kritérium pre používanie zimných pneumatík v zimných mesiacoch, potom je odpoveď skutočne jednoznačné ÁNO pre zimné pneumatiky. Keď sa zamyslíme nad tým, koľko bezpečnosti získame naviac, za akých okolností a za koľko peňazí, tak potom odpoveď ÁNO až tak jednoznačne nevyznieva.

Trocha teórie

Pneumatika je spojovacím článkom medzi vozidlom a vozovkou. Kolesá vozidiel prenášajú tiaž vozidla a nákladu, hnacie – brzdné momenty a bočné sily. Taktiež sú dôležitým prvkom v pružiacej sústave z hľadiska jazdného pohodlia a bezpečnosti jazdy. Rýchlosť a smer pohybu vozidla je primárne daná silami pôsobiacimi medzi pneumatikou a vozovkou. Horná hranica týchto síl je daná reálnym súčiniteľom šmykového trenia. Akonáhle pomer horizontálnej sily k normálovej sile kdekoľvek v styčnej ploche prekročí hranicu šmykového trenia, objaví sa lokálny sklz. Ak sa kĺzanie rozšíri po celej styčnej ploche pneumatiky s vozovkou, prestane sa koleso po povrchu odvaľovať a začne sa kĺzať, čím dochádza k úplnej strate účinnej kontroly nad pneumatikou. Inými slovami, kinetický model sa mení v statický (stojace koleso sa šmýka po stojacej ceste), vozidlo je v šmyku a nejde ovládať. O trajektórii pohybu vozidla rozhodujú následne ďalšie silové vplyvy, napríklad zotrvačnosť, odstredivá sila alebo gravitačné zrýchlenie na naklonenej rovine. Vďaka týmto vplyvom teda hrozí reálne riziko havárie.

Horizontálna zložka, pôsobiaca proti smeru pohybu vozidla – trecia sila F_t  medzi pneumatikami a vozovkou sa rovná súčinu súčiniteľa šmykového trenia μ a kolmého – normálového zaťaženia pneumatiky na povrch vozovky G – tiaže vozidla.

F_t= μ.G

Tento vzorec platí v prípade, že vozovka je v rovine. Ak je vozovka sklonená pod určitým uhlom α, potom je potrebné zohľadniť kosínusovú zložku tiaže G a výsledný vzorec má podobu:

F_t= μ.G.cos α

Dotykové plochy pneumatiky a vozovky nie sú ideálne rovné. Celková trecia sila sa skladá z dvoch zložiek – zo zložky adhézie a hysterézie:

F_t=F_ta+F_th

Adhézna zložka trecej sily vzniká vplyvom molekulových síl zo súčtu šmykových napätí, ktoré pôsobia na povrch dotykových plôch. Hysteréznu zložku trecej sily vyvoláva deformácia gumy pri jej pohybe po nerovnostiach povrchu. Pri tomto pohybe sa spotrebuje určitá energia, ktorá vyplýva z rozdielu medzi kompresnou a expanznou časťou deformácie. Inými slovami, ide o premenu jednej formy energie na inú. Z praktického hľadiska môžeme o jednotlivých zložkách trecej sily napísať nasledovné. Pre suchý povrch platí, že so zväčšovaním normálového tlaku (tiaže na pneumatiku) nad určitú úroveň kedy je súčiniteľ trenia medzi gumou a vozovkou najvyšší, spôsobuje klesanie celkového súčiniteľa šmykového trenia. Na mokrom povrchu, kde výrazne klesá súčiniteľ adhézie, nadobúda hysterézna zložka trenia na význame. Drážky dezénu pneumatiky určené na odvod vody zvyšujú normálový tlak zvyšnej časti dezénu, čím priaznivo vplývajú na zvýšenie celkového súčiniteľa šmykového trenia. Naopak na suchom povrchu je drážkovaný povrch nevýhodou, keďže zvýšenie normálového tlaku na zvyšnú časť dezénu znižuje celkový súčiniteľ trenia. Aj toto je dôvod, prečo hladké pneumatiky lepšie držia na suchej vozovke ako drážkované a naopak, na mokrej zase drážkované lepšie držia ako hladké.

Pri brzdení vozidla je potrebné poznať aj nasledovné informácie o súčiniteli šmykového trenia μ. Existujú totiž dva základné typy brzdenia auta. Brzdenie so šmykom – kinematické trenie a bez šmyku (ABS) – statické trenie. V prípade ak sú kolesá zablokované, pohybuje sa pneumatika vzhľadom k povrchu vozovky rovnakou rýchlosťou ako je rýchlosť auta. V prípade, že kolesá vozidla sú brzdené, ale nie sú v šmyku, je bod dotyku pneumatiky a povrchu vozovky v každom momente pohybu v pokoji. Takže pri brzdení, ktoré neprebieha v šmyku, je brzdná sila rovná maximálnej hodnote sily statického trenia. Keďže koeficient kinematického trenia je vždy menší ako koeficient statického trenia, trecia sila je medzi kolesami v šmyku menšia ako v prípade brzdenia bez šmyku. Logicky sa teda brzdná dráha zväčšuje so zmenšovaním koeficientu trenia medzi pneumatikami a vozovkou. Najlepšie podmienky na brzdenie vykazuje betón alebo suchý hrubozrnný asfalt a kvalitná pneumatika, kedy sa hodnota koeficientu μ pohybuje okolo 0,8 – 0,9. Šmyk spôsobuje zmenu koeficientu trenia zo statického na kinematický, čím jeho hodnota klesne na 0,3 – 0,4. Výrazný vplyv na hodnotu koeficientu trenia majú poveternostné podmienky. Na mokrej ceste sa znižuje hodnota statického koeficientu trenia na 0,4 a menej a v prípade ľadu je aj pri brzdení bez šmyku koeficient trenia na úrovni okolo 0,1 a menej.

Na výpočet dráhy plného brzdenia poprípade spomalenia môžeme použiť nasledovné vzorce:

s=1/2.a.t²  = v²/2.a = v²/2.g.μ

F=m.a = m. g.μ =˃ a= g.μ

Z uvedených vzťahov vyplýva dôležitosť súčiniteľa šmykového trenia na veľkosť spomalenia a dĺžku brzdnej dráhy. Taktiež vyplýva, že spomalenie vozidla nezávisí od jeho hmotnosti, ale od koeficient šmykového trenia. Tento fakt je dôležitý najmä v prípade, ak si myslíme, že čím väčší alebo naopak subtílnejší dopravný prostriedok, tým horšie brzdí. Teoreticky by teda malo byť jedno, či brzdí autobus, osobné auto alebo cyklista, všetci by mali brzdiť rovnakým zrýchlením. Samozrejme to platí len v prípade, ak majú rovnako kvalitné pneumatiky a rovnako výkonný brzdový systém. Dôležité je si tieto informácie pamätať najmä v prípade, ak idete za naoko väčšou dodávkou a spoliehate sa, že pri jej väčšej hmotnosti zabrzdíte skôr. Ak má táto dodávka podobné pneumatiky a podobne výkonnú brzdovú sústavu, zabrzdí takmer rovnako rýchlo ako vy a nič na tom nemení ani jej vyššia hmotnosť, keďže v prípade brzdenia dodávky pôsobí väčšia trecia sila vďaka jej väčšej hmotnosti. Pri brzdení je treba mať na pamäti najdôležitejší fakt a tým je, že brzdná dráha závisí kvadraticky od rýchlosti, pri ktorej brzdenie začína a nepriamo úmerne od koeficientu trenia medzi pneumatikami a vozovkou. Inými slovami, vďaka druhej mocnine rýchlosti zastaví vozidlo pri dvojnásobne väčšej rýchlosti na štvornásobne dlhšej dráhe.

Ako vyzerá zimná pneumatika?

Na rozdiel od letnej pneumatiky má tá zimná iný vzor, ktorý je prispôsobený tak, aby mal viac menších lamiel. Tým sa zlepšujú záberové schopnosti na snehu a zhoršuje priľnavosť na suchom povrchu (menšia dotyková plocha). Dezén je zároveň hlbší než pri letnej pneumatike. Zimná pneumatika býva vyrobená z mäkšej zmesi, ktorá mrazom toľko nestvrdne a za nízkych teplôt zachováva súčiniteľ trenia so suchou vozovkou zhruba rovnaký, akoby mala letná pneumatika za bežných (nezimných) teplôt. Treba mať na pamäti, že životnosť zimnej pneumatiky výrazne klesá (nadmerne sa opotrebováva) najmä za teplôt povrchu vozovky vyšších ako +10 °C.

Typy možných povrchov vozovky v zimnom počasí

Suchá cesta. Na suchej ceste má zimná pneumatika miernu výhodu v tom, že dosahuje o niečo priaznivejšie hodnoty súčiniteľa trenia v dôsledku mäkšej zmesi pri teplotách okolo nuly a nižších. Tento fakt by mal v konečnom dôsledku znamenať o niečo lepšie hodnoty brzdného spomalenia a teda o pár % kratšiu brzdnú dráhu. V laickej reči, ak zrovna nenapodobňujete Schumachera a vonku nie -30 °C, rozdiel medzi zimnou a letnou pneumatikou prakticky nepocítite. Je však potrebné počítať s mierne vyššou spotrebou (vyšší valivý odpor) a zvýšenou hlučnosťou letnej pneumatiky.

Mokrá cesta. K výhodám spomínaným pri suchej vozovke sa pripisuje ďalšie plus zimnej pneumatiky v podobe lepšieho odvodu vody v dôsledku členitejšieho povrchu behúňa, avšak táto skutočnosť funguje len za určitých okolností. Niektoré zimné pneumatiky totiž obsahujú veľké množstvo krátkych členitých drážok – výhodnejšie pre záberové vlastnosti na snehu na úkor širokých rovných priečnych drážok, čo je na druhej strane nevýhodné presne jazdu na mokrej vozovke (kaluže). Na dobrý odvod vody spopod pneumatiky treba široké rovné priečne drážky, ktorými vytlačená voda s minimálnym odporom pretečie mimo styčnú plochu behúňa s vozovkou. Totiž aj malá zmena prierezu drážky vyvolá veľkú zmenu odvádzaného množstva vody spopod pneumatiky. Z toho vyplýva zvýšené riziko vzniku aquaplaningu pri prejazde cez kalužu alebo po vyjazdených koľajách plných vody, ak budeme mať obutý práve takýto typ zimných pneumatík.

Kaplanina (čľapkanica). Použitie zimnej pneumatika je v tomto prípade jednoznačne opodstatnené. Rovné drážky letnej pneumatiky sa upchajú zmesou – kaplaninou mokrého snehu a soli, ktorá ich úplne vyplní a tým prakticky urobí z pneumatiky hladký valec, ktorý dokáže preniesť len zlomok brzdnej, záberovej alebo bočnej vodiacej sily. Takéto kolesá sa už pri slabšom brzdení kĺžu ako dedomrázové sane a robia z vozidla zle ovládateľný – nebezpečný objekt na vozovke. Ak sa napriek týmto faktom rozhodnete jazdiť, je nutné výrazne spomaliť (30-40 km/h) a maximálne sa sústrediť na jazdu a predvídať. Krátkodobý pocit „šak vozidlo ide celkom fajn“, môže zrazu vystriedať absolútna nevyspytateľnosť v ovládaní vozidla.

Sneh. Čo sa týka opodstatnenosti použitia zimnej pneumatiky, platí to isté ako pre kaplaninu, avšak v ešte výraznejšej miere. Drážky letnej pneumatiky sa veľmi rýchlo upchajú snehom a prenos sily z takejto pneumatiky (skôr hladkého valca) na vozovku je minimálny. Prenos sily na vozovku v tomto prípade ešte zhoršuje aj nízka teplota a klzkosť snehu, keďže kombinácia studeného a hladkého povrchu takmer eliminuje z tvrdej letnej zmesi trenie. A prečo si zimná pneumatika so snehom oveľa lepšie poradí ako letná? Moderná zimná pneumatika obsahuje tzv. smerový dezén, tzn. drážky na povrchu upravené tak, aby zaberali jedným smerom, čo v kombinácii s mäkšou – lepivou zmesou priechodnosť a logicky aj ovládateľnosť vozidla na zasneženej vozovke výrazne zlepšuje.

Ľad (poľadovica). V tomto prípade treba napísať, že aj keď sa to nezdá, nie je významný rozdiel medzi letnou a zimnou pneumatikou na povrchu vozovky pokrytej ľadom. Dôvod je totiž jednoduchý, na ľade proste kĺže takmer všetko. Inak povedané, koeficient trenia ľadového povrchu je tak nízky, že výraznejšie zlepšenie (zvýšenie koeficientu šmykového trenia) neprinesie ani výmena letnej pneumatiky za zimnú. Z toho vyplýva jediné, akonáhle je poľadovica, radšej nejazdiť a keď je to naozaj nutné maximálne sa sústrediť na jazdu a predvídať situáciu dlhé desiatky metrov dopredu.

Zhrnutie

Kto nemieni počúvať múdre rady moderátorov alebo predajcov pneumatík, musí sa sám seba opýtať za akých podmienok so svojim vozidlom jazdí. Ak niekto jazdí celú zimu len po meste a býva v južných okresoch Slovenska, kde málokedy ostáva sneh na cestách dlhšie ako do druhého dňa, ten si asi výhod zimných pneumatík príliš neužije. V tých málo prípadoch, kedy je ujazdený sneh alebo kaplanina aj na vozovke, odvezte sa MHD alebo nech vás odvezie sused Jožo, ktorý si zimné gumy prezul. Zimné pneumatiky teda patria jednoznačne na vozidlá a pre vodičov, ktorí jazdia častejšie, sú na auto odkázaní a jazdia za podmienok, keď sa kvalita povrchu vozovky nedá úplne predvídať. Pozor si tiež dávajte na rady typu: „šak vymeň iba tie na poháňanej náprave“. Buďte si istý, že rozdielne vlastnosti predných a zadných pneumatík na snehu budú spôsobovať nebezpečné pretáčavé (nedotáčavé) správanie vozidla. Nebezpečné na takýchto poloprezutých vozidlách je najmä fakt, že poloprezutie v krčmovej reči znamená, „šak to hrabe dobre, môžem teda dupať na plyn koľko chcem“. Existujú tiež pneumatiky kategórie univerzálne. Podľa niektorých tvrdení (výrobcov, predajcov) predstavujú ideálny kompromis pre obe možné situácie (leto/zima). Jedným dychom ale treba dodať, že situácia v skutočnosti až taká ideálna nie je. Spravidla sa totiž jedná o letnú pneumatiku, ktorá je vyrobená z tvrdej zmesi a behúň obsahuje zimný vzor. Z toho vyplýva, že je to naozaj riešenie len pre úplne nenáročných užívateľov, ktorí chcú mať pri občasných jazdách dojem, že urobili aspoň niečo pre svoje bezpečie. Vzhľadom na uvedené skutočnosti, ktoré sme overili aj v nasledovnom teste, vystihuje § 38 ods. 1 zákona č. 8/2009 Z. z. skutočnú realitu a pokiaľ sa nič výrazné nezmení v technológii výroby pneumatík alebo sa nezmenia poveternostné podmienky v zime, netreba zákon žiadno upravovať.