Jak ciężarówka o wadze 5000 funtów może holować 10 000 funtów?

Czy kiedykolwiek ze zdumieniem obserwowałeś, jak pickup ciągnie ogromny ładunek cegieł? Jeśli pomyślałeś: „Wow, to jest sprzeczne z prawami fizyki!” mylisz się.

Wierzcie lub nie, ale prawa fizyki (a dokładniej prawa ruchu) w rzeczywistości pozwalają ciężarówce o wadze 5000 funtów (2,268 kilogramów) holować ładunek o wadze 10 000 funtów (4536 kg). Jest to część interakcji między energią wywieraną przez silnik ciężarówki a siłami grawitacji. Nie jest to jednak mały wyczyn; jeśli pamiętasz trzecie prawo dynamiki Newtona, wiesz, że od momentu, w którym ciężarówka zaczyna się poruszać, na każdym kroku istnieją siły, które przeciwstawiają się jej.

Jeśli rozumiesz fizykę jazdy, rozumiesz fizykę holowania. W rzeczywistości istnieje dość prosty sposób spojrzenia na ten proces.

Istnieją trzy stany, w które Twoja ciężarówka może wejść, jeśli chodzi o jazdę i holowanie: odpoczynek, przyspieszenie i stała prędkość. Gdy skrzynia biegów Twojej ciężarówki jest w postoju i ciężarówka jest nieruchoma, uważa się, że znajduje się w stanie spoczynku. Pchnięcie grawitacyjne w dół w kierunku środka ziemi i pchnięcie w górę od ziemi (nazywane siłą normalną ) przeciwstawia się sobie, aby utrzymać ciężarówkę w stanie spoczynku. Twoja ciężarówka pozostanie w miejscu — w końcu obiekt w spoczynku ma tendencję do pozostawania w spoczynku.

Ale nie chcesz odpoczywać, chcesz holować. Oznacza to, że musisz przezwyciężyć tę tendencję do odpoczynku poprzez przyłożoną siłę . Na szczęście dla Ciebie Twoja ciężarówka ma silnik, który może wytwarzać energię, która służy jako przyłożona siła wymagana do poruszania się. Podczas gdy przeciwstawne siły normalne i grawitacyjne wciąż pozostają, aby przyspieszyć, będziesz musiał poradzić sobie z siłami tarcia. Zamiast w górę iw dół, siły te działają równolegle do podłoża i pchają w kierunku przeciwnym do kierunku, w którym chcesz się poruszać. Nie możesz złapać przerwy pod względem fizyki, prawda?

Z nami do tej pory? Dobry. Czytaj dalej, aby dowiedzieć się więcej o fizyce holowania .

Podczas jazdy samochodem ciężarowym działają dwa rodzaje sił tarcia. Tarcie statyczne to tarcie, które napotka opony, zanim osiągną próg ruchu . Gdy koła zaczynają się poruszać, próg ruchu został przekroczony i opony muszą teraz radzić sobie z tarciem kinetycznym – lub w przypadku koła z tarciem tocznym. Aby przyspieszyć, tarcie statyczne musi zostać pokonane przez przyłożoną siłę, ale nie ma to miejsca w przypadku tarcia tocznego. Zamiast tego celem jest przyspieszenie, aż przyłożona siła zrówna się z wartością tarcia tocznego przyłożonego do opon. Gdy wielkość przyłożonej siły odpowiada wielkości tarcia tocznego, osiągnąłeś punkt stałej prędkości. Możesz to poznać jako prędkość przelotową – punkt, w którym nie przyspieszasz ani nie zwalniasz, po prostu podróżujesz radośnie.

Cała ta gadanina o fizyce nie miałaby wiele sensu, gdyby nie sposób, w jaki twój samochód wykorzystuje siłę silnika do napędzania ciężarówki. Czyni to poprzez wytwarzanie momentu obrotowego , czyli energii, która obraca koło wokół własnej osi. Przyłożona siła wytwarzana przez silnik jest rozprowadzana na koła ciężarówki za pośrednictwem przekładni, która obraca wał napędowy i przekazuje moment obrotowy na koła.

Moment obrotowy różni się od energii potrzebnej do przemieszczenia czegoś w płaszczyźnie poziomej. Pomyśl o tym w ten sposób: powiedzmy, że masz ćwiartkę stojącą na jej krawędzi, którą zamierzasz stoczyć się po korytarzu. Możesz popchnąć krawędź palcem ruchem z góry na dół, aby przesunąć go do przodu lub ruchem z dołu do góry, aby toczyć się do tyłu. Właśnie zastosowałeś moment obrotowy. Teraz spróbuj przesunąć ćwiartkę do przodu, nie obracając jej. Nie działa zbyt dobrze, prawda? Ćwiartka po prostu ślizga się po powierzchni, co utrudnia kontrolę - niezbyt wydajny sposób poruszania się. To jest wyzwanie, które staje przed Twoją ciężarówką za każdym razem, gdy jedziesz: poruszanie się do przodu bez poślizgu.

Wydaje się to dość proste; naciskasz pedał gazu, a silnik przekazuje moment obrotowy na wał napędowy, który wprawia w ruch oś, a następnie koła. Ale jeśli silnik wytwarza zbyt duży moment obrotowy, opony pokonają tarcie toczne, które napotykają na drodze i będą ślizgać się bezużytecznie (i prawdopodobnie niebezpiecznie). To, czego chcesz, to aby Twoja opona nigdy nie zjeżdżała z drogi.

Brzmi to trochę dziwnie, ale kiedy ciężarówka jedzie prawidłowo, spód opony – dosłownie w miejscu, w którym guma styka się z drogą – pozostaje w spoczynku. To, co stanowi spód opony, zmienia się, ponieważ wszystkie punkty na bieżniku mogą służyć jako spód opony, gdy wykonuje pełny obrót. Tak samo jest z położeniem spodu opony w stosunku do drogi. Ale jeśli chodzi o grawitację i siłę normalną, spód opony pozostaje w spoczynku, ponieważ nigdy nie opuszcza drogi.

Więc co to wszystko ma wspólnego z holowaniem ? Mnóstwo. Zobaczysz, co mamy na myśli na następnej stronie.

Wszystko, czego właśnie się nauczyłeś o tym, jak fizyka zapewnia płynną jazdę ciężarówki, można ekstrapolować na holowanie.

Jeśli masz napęd na wszystkie koła, wszystkie cztery opony są połączone z wałami napędowymi i w ten sposób otrzymują moment obrotowy, aby je poruszyć. Jeśli masz tylko napęd na tylne lub przednie koła, nie obawiaj się: moment obrotowy rozłożony na koła napędowe spowoduje, że koła, które są w ruchu, również się poruszą. Ponieważ są one połączone z ciężarówką, te koła będą się poruszać, gdy zaczną się koła napędowe. Ciężar powinien być rozłożony równomiernie na ciężarówkę, co oznacza, że ​​każde koło — niezależnie od tego, czy jest połączone z wałem napędowym, czy nie — stoi przed równym wyzwaniem.

Ponieważ twoje opony znajdują się w miejscu, w którym guma styka się z drogą – lub bardziej w miejscu, w którym siła grawitacji napierająca w dół na ciężarówkę spotyka się z normalną siłą napierającą na nią w górę – to jest miejsce, w którym rozkłada się ciężar. Jeśli ciężar jest rozłożony równomiernie, to napotkana siła normalna jest również rozłożona równomiernie, ponieważ siła normalna jest proporcjonalna do masy ciężarówki. Oznacza to, że normalna siła, na jaką napotyka każda opona, wynosi około jednej czwartej masy ciężarówki. Ten równy rozkład siły prowadzi do równej wartości siły statycznej, a następnie kinetycznej, jaką napotyka każda opona podczas przemieszczania się z pozycji spoczynkowej do przyspieszenia i ostatecznie do stałej prędkości. Tak więc moment obrotowy, który wystarczy, aby poruszyć jednym kołem, poruszy wszystkie. Jeśli ciężar ciężarówki nie jest równomiernie rozłożony,

Dotyczy to zarówno czterech opon w ciężarówce, jak i dwóch lub czterech dodatkowych opon, które dodasz podczas holowania przyczepy. Dzieje się tak, ponieważ jeśli chodzi o prawa fizyki, kiedy przyczepa jest podłączona do ciężarówki, jest uważana za pojedynczą jednostkę. Masa ciężarówki i przyczepy mają wspólną masę. Oznacza to, że rozkład masy pozostaje ważny. Jeśli jest odpowiednio rozłożony, opony – czy są cztery, sześć, osiem czy 50 – będą miały takie samo tarcie, gdy przekroczą próg i przyśpieszą.

Jak więc ciężarówka o wadze 5000 funtów może holować ładunek o wadze 10 000 funtów? Krótka odpowiedź brzmi, że nie może, chyba że ma odpowiedni rodzaj zaczepu. Jeśli zajrzysz do instrukcji obsługi ciężarówki, zobaczysz, że twoja ciężarówka ma dwie możliwości holowania — jedną dla ciężaru własnego i jedną dla ciężaru holowanego. Zauważysz również, że limit masy własnej jest mniej więcej taki sam, jak masa ciężarówki, podczas gdy udźwig holowanej masy jest prawie trzykrotnie wyższy. Powodem jest to, że udźwig holowany wymaga specjalnego zaczepu, który – zgadłeś – rozkłada ciężar przyczepy na koła przyczepy i ciężarówki.

Dodatkowa masa przyczepy wymaga, aby silnik autokaru pracował ciężej, aby wytworzyć większy moment obrotowy niż jest to wymagane, gdy autokar porusza się bez obciążenia. Ale jeśli ciężar jest odpowiednio rozłożony zarówno w przyczepie, jak iw autokarze, tarcie statyczne dla każdej opony będzie równe. Więc niezależnie od tego, czy jest to ciężarówka ważąca 5000 funtów poruszająca się po drodze, czy ta, która ciągnie ładunek o wadze 10 000 funtów, o ile silnik może wytworzyć wystarczający moment obrotowy, aby obrócić koła napędowe bez pokonywania tarcia tocznego na drodze, wszystkie inne koła będą śledzić.

Więcej informacji na temat holowania i innych powiązanych tematów znajdziesz na następnej stronie.

Dziękuję

Specjalne podziękowania dla dr Williama Skocpol i Craig Freudenrich, Ph.D. za pomoc w tym artykule!

Powiązane artykuły

Więcej świetnych linków