Làm thế nào một chiếc xe tải 5.000 pound có thể kéo 10.000 pound?

Bạn đã bao giờ kinh ngạc khi chứng kiến ​​một chiếc xe bán tải kéo một đống gạch khổng lồ chưa? Nếu bạn nghĩ, "Chà, điều đó bất chấp các định luật vật lý!" bạn sẽ sai.

Bạn có tin hay không, các định luật vật lý (hay cụ thể hơn là các quy luật chuyển động) thực sự cho phép một chiếc xe tải nặng 5.000 pound (2.268 kg) kéo một tải trọng 10.000 pound (4.536 kg). Đó là một phần của sự tác động qua lại giữa năng lượng do động cơ xe tải tạo ra và lực hấp dẫn. Tuy nhiên, đây không phải là một kỳ tích nhỏ; Nếu bạn nhớ Định luật chuyển động thứ ba của Newton, bạn biết rằng kể từ thời điểm chiếc xe tải của bạn bắt đầu chuyển động, có những lực chống lại nó trên mỗi bước đường.

Nếu bạn hiểu vật lý của lái xe, bạn hiểu vật lý của kéo. Thực ra có một cách khá đơn giản để xem xét quá trình.

Có ba trạng thái mà xe tải của bạn có thể đi vào khi lái và kéo: nghỉ, tăng tốc và vận tốc không đổi. Khi hộp số của xe tải đang đậu và xe tải của bạn bất động, nó được coi là ở trạng thái nghỉ. Lực hấp dẫn hướng xuống tâm trái đất và lực đẩy lên từ trái đất (gọi là lực bình thường ) đối nghịch nhau để giữ cho xe tải của bạn đứng yên. Xe tải của bạn sẽ ở yên - sau cùng, một vật thể ở trạng thái nghỉ có xu hướng ở yên.

Nhưng bạn không muốn nghỉ ngơi, bạn muốn kéo. Điều này có nghĩa là bạn phải vượt qua xu hướng nghỉ ngơi này thông qua lực tác dụng . Thật may cho bạn, chiếc xe tải của bạn có một động cơ có thể tạo ra năng lượng, đóng vai trò là lực tác dụng cần thiết để bạn di chuyển. Trong khi lực hấp dẫn và pháp tuyến đối nghịch vẫn còn, để tăng tốc, bạn sẽ phải đối phó với các lực ma sát. Thay vì lên và xuống, những lực này tồn tại song song với mặt đất và đẩy theo hướng ngược lại với cách bạn muốn di chuyển. Bạn không thể nắm bắt được một đột phá vật lý khôn ngoan, bạn có thể?

Với chúng tôi cho đến nay? Tốt. Tiếp tục đọc để tìm hiểu thêm về vật lý của kéo .

Có hai loại lực ma sát đang tác động lên bạn khi bạn điều khiển xe tải. Ma sát tĩnh là ma sát mà lốp xe của bạn sẽ gặp phải trước khi chúng đạt đến ngưỡng chuyển động . Khi bánh xe của bạn bắt đầu chuyển động, ngưỡng chuyển động đã bị vượt qua và lốp xe của bạn bây giờ phải đối phó với ma sát động - hoặc trong trường hợp bánh xe, ma sát lăn. Để tăng tốc, ma sát tĩnh phải được khắc phục thông qua lực tác dụng, nhưng đây không phải là trường hợp của ma sát lăn. Thay vào đó, mục đích là tăng tốc cho đến khi lực tác dụng bằng với lực ma sát lăn tác dụng lên lốp. Khi lực tác dụng phù hợp với lượng ma sát lăn, bạn đã đạt đến chất điểm có vận tốc không đổi. Bạn có thể biết nó là tốc độ bay - điểm mà bạn không phải tăng tốc hoặc giảm tốc độ, chỉ đi du lịch một cách vui vẻ.

Tất cả những cuộc nói chuyện vật lý này sẽ chẳng có giá trị gì nhiều nếu nó không phải là cách chiếc xe của bạn sử dụng lực tác dụng từ động cơ để đẩy chiếc xe tải của bạn xuống đường. Nó làm như vậy bằng cách tạo ra mô-men xoắn , là năng lượng làm quay một bánh xe trên trục của nó. Lực tác dụng do động cơ tạo ra được phân phối đến các bánh xe tải của bạn thông qua hộp số, làm quay trục truyền động và phân phối mô-men xoắn đến các bánh xe.

Mô-men xoắn khác với năng lượng cần thiết để di chuyển một thứ gì đó dọc theo mặt phẳng nằm ngang. Hãy nghĩ về nó như sau: Giả sử rằng bạn có một phần tư đang đứng trên bờ vực mà bạn định lăn xuống hành lang của mình. Bạn có thể dùng ngón tay ấn vào mép theo chuyển động từ trên xuống để di chuyển về phía trước hoặc chuyển động từ dưới lên để làm cho nó cuộn về phía sau. Bạn vừa áp dụng mô-men xoắn. Bây giờ, hãy cố gắng di chuyển quý về phía trước mà không cần lăn tăn. Nó không hoạt động rất tốt, phải không? Phần tư chỉ trượt dọc theo bề mặt gây khó kiểm soát - không phải là một cách di chuyển hiệu quả. Đây là thử thách đặt ra cho chiếc xe tải của bạn mỗi khi bạn lái xe: tiến về phía trước mà không bị trượt.

Nó có vẻ đủ đơn giản; bạn nhấn bàn đạp ga, và động cơ sẽ phân phối mô-men xoắn đến trục truyền động làm quay trục và lần lượt các bánh xe. Nhưng nếu động cơ tạo ra quá nhiều mô-men xoắn, lốp xe của bạn sẽ vượt qua ma sát lăn mà chúng gặp từ đường và sẽ trượt một cách vô ích (và có thể nguy hiểm). Những gì bạn muốn là lốp xe của bạn không bao giờ rời khỏi đường.

Nghe có vẻ hơi kỳ lạ, nhưng khi chiếc xe tải của bạn chạy đúng hướng, phần đáy của lốp - gần như là nơi cao su tiếp xúc với đường - vẫn ở trạng thái nghỉ. Những gì cấu thành nên đáy lốp thay đổi vì tất cả các điểm trên gai lốp đều có cơ hội đóng vai trò là đáy lốp khi nó hoàn thành một vòng quay hoàn toàn. Vị trí của đáy lốp xe so với mặt đường cũng vậy. Tuy nhiên, liên quan đến trọng lực và lực bình thường, thì đáy của lốp xe vẫn ở trạng thái nghỉ vì nó không bao giờ rời khỏi mặt đường.

Vậy tất cả những thứ này có liên quan gì đến việc kéo xe ? Nhiều. Bạn sẽ thấy ý của chúng tôi ở trang tiếp theo.

Tất cả những gì bạn vừa học về cách vật lý giữ cho xe tải của bạn di chuyển trơn tru có thể được ngoại suy vào việc kéo.

Nếu bạn có hệ dẫn động bốn bánh, cả bốn lốp xe đều được kết nối với trục truyền động và do đó nhận mô-men xoắn để di chuyển chúng. Nếu bạn chỉ có bánh sau hoặc bánh trước, đừng lo lắng: Mô-men xoắn được phân bổ cho các bánh lái của bạn sẽ khiến các bánh dọc theo xe cũng chuyển động theo. Vì chúng được kết nối với xe tải của bạn, các bánh xe này sẽ chuyển động khi các bánh xe bắt đầu chuyển động. Trọng lượng phải được phân bổ đều trên xe tải, có nghĩa là mỗi bánh xe - dù được kết nối với trục truyền động hay không - đều phải đối mặt với một thách thức như nhau.

Since your tires are where the rubber meets the road -- or, more the point, where the force of gravity pressing downward on your truck meets the normal force pushing upward against it -- this is where the weight's distributed. If the weight's distributed evenly, then the normal force it encounters is distributed evenly as well, since normal force is proportional to your truck's mass. This means that the normal force each tire encounters is about one-quarter the mass of your truck. This equal distribution of force leads to an equal amount of static and then kinetic force each tire encounters as it moves from its resting position to acceleration and finally constant velocity. So the torque that's enough to move one wheel will move all of them. If the weight of your truck isn't equally distributed, then tires supporting less weight will skid or slide as the torque they receive overcomes rather than equals the rolling friction it meets from the road.

This is as true with the four tires on your truck as it is with two or four more tires you'll add when you tow a trailer. That's because, as far as the laws of physics are concerned, when your trailer's hooked up to your truck it's considered a single unit. The truck's mass and the trailer's mass share a combined mass. This means that weight distribution remains important. If it's distributed properly, the tires -- whether there are four, six, eight or 50 -- will all face the same amount of friction as they cross the threshold and accelerate.

So how can a 5,000-pound truck tow a 10,000-pound load? The short answer is that it can't, unless it has the right kind of hitch. If you consult your truck's owner's manual, you'll see your truck has two towing capacities -- one for dead weight and one for towed weight. You'll also notice that the dead weight limit is about the same weight as your truck, while the towed weight capacity is abut three times higher. The reason is that towed weight capacities require a special hitch that -- you guessed it -- distributes the trailer's weight among the trailer's and truck's wheels.

­The added weight of the trailer does require the engine of the coach vehicle to work harder to produce more torque than is required when the coach is traveling unencumbered. But if the weight is properly distributed within both the trailer and the coach vehicle, the static friction for each tire will be equal. So whether it's a truck weighing 5,000 pounds moving down the road, or one that's towing a 10,000-pound load, as long as the engine can produce enough torque to rotate the drive wheels without overcoming the rolling friction on the road, all other wheels will follow.

For more information on towing and other related topics, visit the next page.

Thank You

Special Thanks to Dr. William Skocpol and Craig Freudenrich, Ph.D. for their help with this article!

Related Articles

Các liên kết tuyệt vời hơn