Исследователи из Массачусетского технологического института показали, что использование более жёсткого покрытия на дорогах США может привести к сокращению расхода топлива в масштабе страны на 3%, что эквивалентно годовой экономии в 273 млн баррелей нефти ($25–30 млрд). И это не говоря уже об уменьшении выбросов CO2 на 46,5 млн тонн и большем сроке службы дорожного покрытия.
Соответствующая научная работа принята к публикации в журнале Transportation Research Record.
| По мере движения, дорожное покрытие под колесом прогибается, но, пока оно это делает, колесо уже перемещается вперед и все время слегка опережает самую нижнюю точку деформации. (Илл. Mehdi Akbarian / MIT.) |
Временная деформация (сжатие) дорожного покрытия под колёсами автомобиля — дело обычное. Именно благодаря ей возникает пресловутая колейность. Профессор Франц-Джозеф Ульм и его коллеги первыми провели математическое моделирование того, какие силы воздействуют на дорожное покрытие, когда по нему катится колесо автомобиля. Выяснилось нечто, на первый взгляд, странное: максимальная нагрузка и максимальное сжатие полотна приходятся на участок непосредственно за колёсами. При этом прямо под колесом деформации почти нет. Это значит, что автомобиль во время движения сам создаёт себе лёгкий уклон «в горку». И чем выше его кинетическая энергия, тем сильнее этот эффект. Так 1,5-тонное транспортное средство на 44 и 88 км/ч почти вчетверо различается по тому углу наклона, который оно создаёт перед своими колёсами. Ну а грузовики в среднем на порядок больше деформируют покрытие за своими колёсами.
Проблема в том, что расход топлива при езде в горку является максимальным — а значит, постоянное искусственное создание самой машиной «горки» ведёт к его росту.
По сути, то же наблюдают и пешеходы, идя по глубокому песку: нога проваливается, и на её извлечение тратится дополнительная энергия: ходьба с одинаковой скоростью по асфальту и песку требует разных усилий. Разница только в том, что в песке нога сразу уходит вниз, а на асфальте нет моментальной деформации; из-за быстрого движения автомобиля точка наибольшей деформированности асфальта всё время «не успевает» за колесом, создавая искусственную «горку».
Что же делать? Инженерных вариантов решения проблемы может быть много. Жёсткость дорожного покрытия можно повысить улучшением свойств асфальта или увеличением его толщины. Разумеется, в этом случае вырастет и цена такого покрытия. Как альтернативу можно предложить расширенное использование дорог с бетонным полотном, на которых прогиб покрытия на порядок меньше, да и колейность исключена. Другие варианты включают изменение состава «подушки» под покрытием: увеличение её толщины или использование более жёстких материалов.
По словам профессора Ульма, особенно важно то, что новое исследование не было чисто эмпирическим, как большинство предыдущих: «Где вы найдёте две одинаковые дороги, проложенные поверх одинаковых почв и эксплуатируемые с одинаковой интенсивностью в одинаковом климате? У вас всегда будут сторонние воздействия. Эмпирический подход просто не срабатывает... Эмпирические исследования давали результаты, отличающиеся друг от друга на порядок... Поэтому мы использовали статистический анализ данных».
Чтобы разработать математическую модель взаимодействия дороги с колёсным транспортом, исследователи заложили в неё данные по 5 643 участкам дорожной сети США. По их оценкам, 80% избыточного потребления топлива, связанного с тем, что автомобили сами погружают себя в асфальт, может быть ликвидировано использованием более жёстких «подушки» и покрытия; главное — чтобы дорожные власти страны захотели сделать это.
Как отмечают учёные, мы тратим топливо попусту потому, что дорожное покрытие проектировалось, исходя исключительно из задачи минимизации стоимости строительства, а то, как оно «держит» машины, — дело десятое. При этом в действительности создание более дорогих и менее склонных к деформациям дорог быстро окупит себя даже без учёта снижения потребления топлива в национальном масштабе. К примеру, затраты на ремонт дорог с бетонным покрытием заметно ниже, чем возня с асфальтом, так как деградация первого происходит значительно медленнее...
