קביעת מקדמי החיכוך של מדרכות קפואות תחת כמויות שונות של שלג

חיכוך מדרכות מוגדר כאחיזה בין צמיגי הרכב למשטח הכביש^{הבסיסי 1}. המדד הנפוץ ביותר לחיכוך מדרכות בתכנון כבישים הוא מקדם החיכוך של המדרכה. חיכוך הוא אחד הגורמים החשובים ביותר בתכנון כבישים והוא שני רק לעמידות. קיים מתאם חזק וברור בין ביצועי חיכוך המדרכה לבין סיכון לתאונות². לדוגמה, קיים מתאם שלילי מובהק בין שיעורי תאונות הדרכים לבין עמידות החלקה על המדרכה ^3,4,5. מספר גורמים עשויים לתרום לירידה בחיכוך המדרכה, ואחד הגורמים הישירים והמשפיעים ביותר הוא שלג⁶. באופן ספציפי, שלג גורם להיווצרות קרח על המדרכה, ובכך גורם להפחתה משמעותית במקדם החיכוך בכביש ^7,8. מחקר המתמקד בגורמים המשפיעים על שיעורי תאונות הדרכים בדרום פינלנד ציין כי שיעורי התאונות מגיעים בדרך כלל לשיא בימים עם שלג כבד וכי יותר מ -10 ס”מ של שלג יכולים להוביל להכפלת שיעור התאונות⁹. תוצאות דומות נמצאו במחקרים שבוצעו הן בשוודיה והן בקנדה^10,11. לכן, חקר תכונות החיכוך של מדרכות קפואות שלג הוא חיוני לשיפור הבטיחות בדרכים.

קביעת מקדם החיכוך של מדרכות קפואות היא תהליך מורכב מכיוון שמקדם החיכוך עשוי להשתנות תחת רמות שלג שונות ועובי קרח מדרכה. יתר על כן, טמפרטורות ומאפייני צמיגים משתנים עשויים להשפיע גם על מקדם החיכוך. בעבר נערכו ניסויים רבים כדי לחקור את מאפייני החיכוך של צמיגים על קרח¹². עם זאת, בשל ההבדלים בסביבות בודדות ובמאפייני צמיגים, לא ניתן להשיג תוצאות עקביות ולהשתמש בהן כבסיס למחקרים תיאורטיים. לכן, חוקרים רבים ניסו לפתח מודלים תיאורטיים כדי לנתח את החיכוך של צמיגים על קרח. Hayhoe ו-Sahpley¹³ הציעו את הרעיון של חילופי חום חיכוך רטוב בממשק שבין צמיגים לקרח, בעוד ש-Peng et ^al.14 הציעו מודל נתונים מתקדם לחיזוי חיכוך על סמך הרעיון הנ”ל. בנוסף, הציג קלאפרות’ מודל מתמטי חדשני לתיאור החיכוך של גומי מחוספס על קרח^{חלק 15}. עם זאת, הדגמים הנ”ל הוכחו כבעלי טעויות משמעותיות, בעיקר בשל חוסר יכולתם לאפיין במדויק וביעילות את תכונות החיכוך של צמיגים על קרח¹⁶.

כדי להפחית את השגיאות של מודלים תיאורטיים, יש צורך בכמות גדולה של נתונים ניסיוניים. הסוכנות המטאורולוגית הפינית פיתחה מודל חיכוך לחיזוי חיכוך מדרכות קפואות, והנוסחה למודל זה התבססה בעיקר על נתונים שהתקבלו מתחנות מזג אוויר בכבישים ובאמצעות ניתוח סטטיסטי¹⁷. יתר על כן, Ivanović et al. אספו כמות משמעותית של נתונים ניסיוניים על ידי ניתוח מאפייני החיכוך של צמיגים על קרח וחישבו את מקדם החיכוך של הקרח על ידי ניתוח רגרסיה¹⁸. Gao et al. הציעו גם מודל חיזוי חדשני של מתיחת צמיגים-גומי-קרח על ידי שילוב אלגוריתם האופטימיזציה Levenberg-Marquardt (LM) עם רשת עצבית כדי לקבל את הנוסחה למקדם החיכוך על קרח¹⁹. כל המודלים הנ”ל אומתו או יושמו בפועל ולכן נחשבים אפשריים.

בנוסף לשיטות תיאורטיות, פותחו שיטות מעשיות רבות למדידת מקדם החיכוך של מדרכות באזורים מושלגים וקפואים. בשל המאפיינים של מזג האוויר, שיטות אלה היו בשימוש נרחב במדינות נורדיות כגון שוודיה, נורבגיה, ופינלנד²⁰. בשוודיה, נעשה שימוש בשלושת הסוגים העיקריים הבאים של מכשירי מדידת חיכוך: BV11, SFT ו- BV14. ה- BV14, בודק חיכוך כפול שפותח במיוחד להערכות תחזוקת חורף, מחובר ישירות לרכב המדידה ומודד את החיכוך היבש בשני נתיבי הגלגלים בו זמנית²⁰. בפינלנד, רכב מדידת החיכוך (TIE 475) משמש להערכות תחזוקת כבישים בחורף, בעוד שבנורווגיה, מכשיר מדידת החיכוך ROAR (ללא מים) הוא ציוד נפוץ². רוב מדידות החיכוך בחורף שבוצעו בשוודיה, נורבגיה ופינלנד בוצעו באמצעות מכוניות נוסעים רגילות עם ABS ומכשירים המודדים האטה תחת בלימה ^2,20. היתרון של שיטה זו הוא שהיא פשוטה וזולה יחסית, והחיסרון העיקרי הוא שהדיוק של השיטה נמוך מאוד.

המחקרים שתוארו לעיל מספקים שיטות לחיזוי וגילוי מקדמי חיכוך על קרח. עם זאת, שיטה אחידה וערך ספציפי להנחיית מתכנני דרכים עדיין לא סופקו. יתר על כן, בכבישי חורף, מקדם החיכוך בין הצמיגים לקרח עשוי להשתנות ביחס לעובי קרח שונים, ויש ליישם גם אמצעי סילוק^{שונים 21}. לכן, מאמר זה נועד לקבוע את מקדם החיכוך של כבישים קפואים תחת כמויות שונות של שלג.

בעולם, הבודק הנייד הבריטי (BPT) ובודק החיכוך הנייד של המכון השוודי לחקר הכבישים והתחבורה (VTI PFT) הם כיום המכשירים הנפוצים ביותר למדידת מקדם החיכוך^22,23. ה- PFT הוא בודק חיכוך נייד שפותח על ידי VTI, והוא מאפשר למפעיל לבצע מדידות במצב זקוף ולשמור את הנתונים במחשב²². ה-PFT יכול למדוד את רוב סימוני הכבישים המעוצבים, אך מספר המכשירים הזמינים כיום הוא עדיין^{קטן מאוד 2}. BPT הוא בודק מקדם חיכוך מטוטלת שפותח על ידי המעבדה הבריטית לחקר הדרכים (RRL, כיום TRL). המכשיר הוא בודק דינמי מסוג פגיעה במטוטלת המשמש למדידת אובדן האנרגיה במקרים שבהם קצה מחוון גומי מונע על משטח בדיקה. התוצאות מדווחות כמספרי מטוטלת בריטיים (BPN) כדי להדגיש שהם ספציפיים לבודק זה ואינם שקולים ישירות לאלה ממכשירים אחרים²⁴. המכשיר הוכח כשימושי לקביעת מקדמי חיכוך בשדה המדרכה הניסיוני²³. ניסוי זה משתמש ב- BPT לקביעת מקדמי חיכוך.

המחקר הנוכחי מתאר את ההליך הניסויי למדידת מקדם החיכוך של מדרכות קפואות המתאים לכמויות שלג שונות בתוך הבית. הבעיות שיש לציין בניסויים, כגון כיול ניסויים, יישום ניסויים ושיטות ניתוח נתונים, מוסברות בפירוט. ניתן לסכם את הליכי הניסוי הנוכחיים בחמשת השלבים הבאים: 1) הכנת הציוד, 2) חישוב וניתוח השלג, 3) כיול הציוד, 4) קביעת מקדם החיכוך, ו-5) ניתוח נתונים.