چرا خالی کردن باد لاستیک داغ در سفر جاده‌ای خطر ترکیدن آن را چند برابر می‌کند؟

راننده‌ای پس از سه ساعت رانندگی مداوم در اتوبان، وارد یک توقفگاه آفتاب‌سوخته بین‌راهی می‌شود، درجه باد را روی والف می‌گذارد و عدد ۳۸ پی‌اس‌آی (psi) را می‌بیند. برچسب روی ستون درِ راننده به وضوح عدد ۳۲ پی‌اس‌آی را الزامی کرده است؛ بنابراین راننده بر پایه برداشتی به‌ظاهر منطقی نتیجه می‌گیرد که حرارت آسفالت باد لاستیک‌ها را بیش از حد بالا برده و با خالی کردن این شش پوند باد اضافه، می‌توان جلوی ترکیدن لاستیک را گرفت.

با این حال، مهندسان طراح تایر و کارشناسان ایمنی خودرو به همین ماجرا نگاه کاملاً متفاوتی دارند و معتقدند راننده با این کار فرایند نابودی لاستیک خود را کلید می‌زند. از دید شرکت سازنده، درجه ۳۸ پی‌اس‌آی نه یک خطر بالقوه، بلکه دقیقاً فشار کاری پیش‌بینی‌شده برای تایری است که خودرویی پر از سرنشین و بار را با سرعت بزرگراهی به حرکت درمی‌آورد.

خالی کردن این هوای منبسط‌شده، تایر را به وضعیت ایمن برنمی‌گرداند؛ بلکه باعث می‌شود لاستیک به محض خنک شدن یا حتی در حین ادامه حرکت، با افت فشار بسیار شدیدی روبه‌رو شود. این وضعیت، زنجیره‌ای از خمش‌های مکانیکی فرساینده ایجاد می‌کند که تایر را از درون متلاشی می‌سازد.

فیزیک ویسکوالاستیسیته و خمش تایر

برای درک علت مخرب بودن کاهش باد لاستیک گرم، پیش از هر چیز باید جنس واقعی لاستیک را شناخت. عاج و دیواره تایر برخلاف فولاد یا چوب، ساختاری صلب و خشک ندارند، بلکه از ماده‌ای ویسکوالاستیک ساخته شده‌اند.

مواد ویسکوالاستیک وقتی زیر بار و فشار سنگین تغییر شکل می‌دهند، در بازگشت به حالت نخستین همه انرژی جذب‌شده را پس نمی‌دهند. بخشی از این انرژی مکانیکی برای همیشه هدر می‌رود و مستقیماً به گرمای داخلی تبدیل می‌شود.

مهندسان به این پدیده «هیسترزیس» یا پسماند می‌گویند. هر بار که بخشی از تایر چرخ می‌زند و به زمین می‌رسد و روی آسفالت فشرده می‌شود — یعنی همان سطح تماس تایر با جاده — انعطاف پیدا می‌کند و خم می‌شود؛ وقتی از زمین کنده می‌شود دوباره به فرم اولیه برمی‌گردد. در سرعت ۱۱۰ کیلومتر در ساعت (حدود ۷۰ مایل بر ساعت)، این چرخه تغییر شکل شدید تقریباً ۸۰۰ بار در هر دقیقه تکرار می‌شود.

در تحلیلی که سال ۲۰۲۳ در نشریه «تایر ساینس اند تکنولوژی» (Tire Science and Technology) منتشر شد، آمده است: «گرمای ناشی از پسماند (هیسترزیس)، بار حرارتی اصلی وارد بر تایر سواری در سرعت‌های بزرگراهی به شمار می‌رود و اثر حرارتی آن به مراتب فراتر از اصطکاک سطحی ناشی از سایش تایر روی آسفالت است».

فشار هوای داخل تایر، در واقع ستون اصلی نگه‌دارنده این سازه است که جلوی خمش بیش از حد لاستیک را می‌گیرد. این حجم هوای پرفشار داخل پوسته تایر است که وزن خودرو را تحمل می‌کند، نه خود لایه‌های کائوچو. وقتی باد لاستیک دقیق و اندازه باشد، ساختار دایره‌ای تایر حفظ می‌شود و بازی و خمش لاستیک در محل تماس با جاده کاملاً کنترل‌شده و اندک می‌ماند.

تله انبساط حرارتی هوا در تایر

تضاد میان حس شهودی راننده و اصول مهندسی از قوانین پایه‌ای ترمودینامیک ریشه می‌گیرد. با چرخش چرخ‌ها و شکل‌گیری گرمای پسماند، هوای محبوس درون محفظه لاستیک گرم‌تر شده و به طور طبیعی منبسط می‌شود.

بر پایه داده‌های انجمن خودروی آمریکا (AAA)، هوای درون تایر خودروهای سواری تنها پس از بیست دقیقه رانندگی در اتوبان، معمولاً بین ۵ تا ۶ پی‌اس‌آی افزایش حجم و فشار پیدا می‌کند. اگر صبح پیش از حرکت، باد تایر در حالت خنک روی عدد استاندارد ۳۲ تنظیم شده باشد، طبیعی است که در توقف سوخت‌گیری بعدازظهر، درجه روی ۳۷ یا ۳۸ قرار بگیرد.

سازنده خودرو دقیقاً این انبساط حرارتی را در محاسبات خود لحاظ کرده است. مقدار فشار باد «سرد» که روی برچسب ستون در قید می‌شود، مشخصاً با احتساب همین رشد حرارتی طراحی شده است؛ ساختار درونی تایر دقیقاً برای کارکرد در همان فشار گرمِ بالاتر ساخته و آزموده شده است.

وقتی راننده‌ای باد تایر داغ را خالی می‌کند تا عقربه فشارسنج دوباره روی ۳۲ پی‌اس‌آی قرار گیرد، عملاً ستون نگه‌دارنده سازه‌ای لاستیک را تضعیف کرده است. در این لحظه او تایری ساخته که از نظر عملکردی ۶ پی‌اس‌آی کم‌باد است، هرچند درجه ظاهراً عدد «درست» را نمایش می‌دهد.

تشدید گرمای پسماند با کم‌کردن باد

به محض بازگشت خودرو به اتوبان با آن تایر کم‌بادشده، قوانین فیزیکی هیسترزیس دست‌به‌کار می‌شوند. چون تایر دیگر باد کافی برای نگه داشتن وزن خودرو را در اختیار ندارد، دیواره‌های آن به سمت بیرون شکم می‌دهند و پهنای سطح تماس روی آسفالت به شکل چشمگیری افزایش پیدا می‌کند.

این تخت‌شدگی غیرعادی سبب می‌شود کائوچو و تسمه‌های فولادی درون لاستیک در هر دقیقه ۸۰۰ بار با زاویه‌های تند خم و راست شوند. در این وضعیت، انرژی مکانیکی اتلاف‌شده به شکل پسماند سر به فلک می‌کشد و تایر را به یک کوره تولید حرارت غلتان تبدیل می‌کند.

پژوهش‌ها نشان می‌دهد به ازای هر ۲ پی‌اس‌آی افت فشار نسبت به سطح بهینه کاری، حرارت پسماند تولیدی در تایر تقریباً ۱۵ درصد بالا می‌رود. راننده‌ای که در توقفگاه ۶ پی‌اس‌آی باد خالی می‌کند، آهنگ تولید گرمای لاستیک خود را تا مرز ۵۰ درصد افزایش داده است.

اکنون تایر درون چرخه‌ای بسته و فزاینده از حرارت گرفتار می‌شود: خمش‌های شدید گرمای عظیمی به بار می‌آورند، این گرما هوای باقی‌مانده را داغ‌تر می‌کند و راننده‌ای که از موضوع بی‌خبر است شاید در توقفگاه بعدی دوباره مقداری از باد لاستیک را خالی کند و به این ترتیب خمش تایر را بیشتر تشدید کند.

سازوکار جدایی لایه‌ها و ترکیدن تایر

کائوچو عایق بسیار خوبی در برابر انتقال حرارت است، اما در یک تایر کم‌باد این ویژگی نقشی مخرب بازی می‌کند. گرمای ناشی از پسماند که در عمق لایه‌های تایر ایجاد می‌شود نمی‌تواند به آسانی به هوای اطراف تخلیه شود و در ساختار داخلی حبس می‌گردد.

در نتیجه، حرارت لایه‌های درونی، به‌ویژه در لبه‌های تسمه‌ها و شانه لاستیک، به سرعت اوج می‌گیرد. هرچند لاستیک‌های مدرن استحکام بالایی دارند، اما چسب‌های پلیمری نگه‌دارنده تسمه‌های فولادی به عاج تایر محدوده مقاومت حرارتی مشخص و حساسی دارند.

بر پایه گزارش سازمان ملی ایمنی ترافیک بزرگراه‌های آمریکا (NHTSA)، هنگامی که دمای درون تایر از حدود ۱۲۱ درجه سانتی‌گراد (۲۵۰ درجه فارنهایت) فراتر می‌رود، این اتصالات چسبی فرومی‌پاشند و کائوچو عملاً به بافتی نرم، خمیری و بدون ولکانیزه بازمی‌گردد.[1]

در مقاله‌ای فنی از انجمن مهندسان خودرو (SAE) شرح داده شده است: «قرار گرفتن مداوم در معرض حرارت ناشی از خمش بیش از حد، موجب برش و پاره شدن لایه نازک لاستیک میان تسمه‌های فولادی می‌شود. با پدید آمدن نخستین ترک‌های میکروسکوپی، نیروی گریز از مرکز بی‌درنگ عاج لاستیک را از بدنه اصلی جدا می‌کند».[3]

این سازوکار واقعی ترکیدن تایر در اتوبان است. لاستیک معمولاً مانند بادکنکی که بیش از اندازه باد شده باشد منفجر نمی‌شود؛ بلکه در اغلب موارد، بر اثر ذوب شدن لایه‌های چسب درونی در نتیجه کم‌بادی، پیوند قطعات از هم می‌پاشد و لایه‌لایه می‌گردد.

راهنمای تنظیم باد لاستیک در سفرهای جاده‌ای

برای هر فردی در سفرهای بین‌شهری طولانی، این قاعده باید قطعی و تخطی‌ناپذیر تلقی شود: هرگز از تایری که بیش از دو کیلومتر حرکت کرده است باد کم نکنید. اگر درجه باد در استراحتگاه عدد بالایی نشان داد، تنها اقدام درست دست نزدن به آن است.

دستورالعمل‌های فنی شرکت میشلن تاکید می‌کنند تایر برای اینکه «خنک» محسوب شود و فشار مبنای واقعی را نشان دهد، باید دست‌کم سه ساعت بدون حرکت پارک شده باشد. تنها پس از سپری شدن این مدت است که فشارسنج مقدار دقیق هوای درون تایر را بازتاب می‌دهد.[2]

اگر راننده‌ای ناچار شد به لاستیک داغ باد اضافه کند — چون فشار آن به وضوح افتاده یا از رقم روی برچسب کمتر است — باید آن را حدود ۴ پی‌اس‌آی بالاتر از فشار سرد توصیه‌شده تنظیم کند. این مقدار اضافی نقش حاشیه اطمینان را دارد تا صبح روز بعد باد خودرو در حالت سرد به درستی بازبینی شود.[2]

در نهایت، فشارسنج ابزاری است که نیازمند درک شرایط محیطی است. قضاوت درباره عدد فشارسنج بدون توجه به دمای هوای درون چرخ، به اقداماتی ختم می‌شود که سلامت تنها نقطه تماس خودرو با جاده را به شکلی جدی به خطر می‌اندازند.