Rolweerstand

Wat is rolweerstand?

Deze vorm van weerstand treedt op wanneer een wiel, bal of cilinder over een oppervlak beweegt. De tegenwerkende kracht ontstaat vooral door vervorming van het voorwerp én het oppervlak. Dat kost energie en leidt tot verlies in efficiëntie.

Hoe ontstaat deze weerstand?

Het grootste deel van de remmende werking komt voort uit vervorming. Denk aan een autoband die over asfalt rijdt: het rubber buigt telkens een beetje, wat energie kost. Bij stalen treinwielen op spoorrails gebeurt dit veel minder, wat resulteert in veel soepelere bewegingen.

Ook de kleefkracht tussen band en wegdek draagt bij aan het effect. Bij zachtere materialen zoals rubber is dit beter merkbaar dan bij harde oppervlakken zoals staal.

De kracht berekenen

De weerstandskracht is afhankelijk van de verticale druk (normaalkracht) op het wiel. Dit verband drukken we uit in de formule:

Fr=Cr⋅FNF_r = C_r \cdot F_NFr​=Cr​⋅FN​

waarbij:

• FrF_rFr​: kracht die de beweging tegenwerkt (in Newton)

• CrC_rCr​: coëfficiënt die de mate van weerstand bepaalt

• FNF_NFN​: de normaalkracht (in Newton)

De coëfficiënt is een materiaaleigenschap en verschilt per combinatie van oppervlak en wieltype.

Invloed van het contactoppervlak

De vorm en omvang van het raakvlak tussen band en ondergrond hebben grote invloed. Bij fietsen zien we het verschil tussen smalle en brede banden:

• Brede banden hebben meestal minder remmende kracht dan smalle, op voorwaarde dat de bandenspanning gelijk is en de constructie vergelijkbaar.

• Dat komt doordat de vervorming bij een bredere band meer zijdelings plaatsvindt, terwijl bij een smalle band de vervorming meer in de rijrichting gebeurt – wat meer energieverlies oplevert.

Groot versus klein wiel

De diameter van een wiel speelt eveneens een rol. Kleinere wielen hebben doorgaans een grotere tegenwerking onder gelijke omstandigheden. Dit komt doordat ze dieper in het oppervlak worden gedrukt. In extreme gevallen, bij hele kleine wieltjes, lijkt de belasting op een puntkracht – wat leidt tot veel vervorming en dus meer weerstand.

Waarom is dit belangrijk?

Voor fietsers, transportbedrijven en autofabrikanten is deze kracht een belangrijk aandachtspunt. Minder weerstand betekent:

• Lagere energiebehoefte

• Minder vermoeidheid bij menskracht

• Lagere kosten bij voertuigen op brandstof of stroom

Het optimaliseren van bandensoorten, materialen en maten is daarom van groot belang bij het ontwerpen van vervoermiddelen.

De kracht die optreedt wanneer iets rolt over een oppervlak wordt sterk beïnvloed door vervorming, materiaalkeuze, bandbreedte, diameter en belasting. Begrip hiervan helpt bij het kiezen van de juiste band of wiel en leidt tot efficiënter gebruik van energie.

oude tekst

Rolweerstand.

De Rolweerstand is de weerstand die een rond voorwerp, zoals een wiel, een kogel en een cilinder, ondervindt als het rolt over een oppervlak. De oorzaak van rolweerstand is voornamelijk gelegen in de vervorming van zowel het voorwerp als het oppervlak. Daarnaast spelen ook andere factoren een rol, waaronder de adhesie tussen het voorwerp en het oppervlak.
De rolweerstand van een stalen wiel over een spoorrails bij een trein is aanzienlijk lager dan de rolweerstand van een rubber autoband over asfalt. Dit komt doordat het rubber van de band meer vervormt en er bij een rubberen band door deze vervorming een groter contactoppervlak ontstaat met de weg. Dit contactoppervlak is bepalend voor de rolweerstand.

Net als bij wrijving is de kracht ten gevolge van de rolweerstand min of meer evenredig met de normaalkracht op het oppervlak. De evenredigheidsconstante wordt rolweerstandscoëfficiënt genoemd.

De rolweerstand van een rollend voorwerp is evenredig met de normaalkracht in het contactpunt.

F_r = C_r \cdot F_N,

met

F_r: rolweerstand (N)
F_N: normaalkracht (N)

De evenredigheidsconstante C_r heet de rolweerstandscoëfficiënt.

Let wel dat de vorm van dit contactoppervlak ook een rol speelt bij de bepaling van de rolweerstand. Dat komt tot uiting bij bijvoorbeeld fietsbanden: brede (fiets)banden hebben minder rolweerstand dan smalle, mits ze even hard opgepompt zijn en van vergelijkbare constructie zijn. De vervorming die bij de brede band optreedt is meer in de breedte dan bij de smalle band waar de vervorming meer in de draairichting plaatsvindt. En deze laatste is juist meer bepalend voor de rolweerstand.

Kleine wielen zullen een grotere rolweerstand hebben dan grote wielen onder dezelfde gebruiksomstandigheden (de wielen zijn even breed, dezelfde materialen en constructie en dezelfde belasting). Dit komt doordat de kleinere diameter verder in het wegoppervlak wordt gedrukt. In het extreem: veronderstel het kleine wiel wordt steeds kleiner, dan zal de belasting op de weg vergelijkbaar worden met een puntbelasting welke zeer grote vervorming veroorzaakt, en dus zeer grote rolweerstand.