Тяговое усилие, необходимое для движения неподвижного автомобиля
Задний план
Есть много примеров того, как люди тянут тяжелые автомобили, от грузовиков до авиалайнеров. При исследовании физики, лежащей в основе этого, большинство результатов указывало на снижение сопротивления качению, когда транспортные средства находятся на колесах. Поскольку нормальная сила транспортного средства умножается на коэффициент качения, который составляет около 0,02 для шин по асфальту, сила в горизонтальном направлении, противоположном направлению движения, значительно уменьшается. Однако я не понимаю, как это соотносится с концепцией статического трения. Моя текущая интерпретация такова, что сопротивление качению применяется только тогда, когда транспортное средство уже движется, и что нужно преодолеть статическое трение, чтобы перейти от неподвижного к движущемуся? А статическое трение имеет коэффициент, намного более близкий к единице, так что будет ли эта начальная сила для преодоления статического трения намного выше?
Постановка проблемы
Итак, предположим, что существует машина с массой $m$на резиновых колесах, неподвижно стоя на асфальте. К транспортному средству прикреплен трос по направлению движения / колес. Пренебрегая трением во внутренних системах автомобиля, как вычислить силу, необходимую человеку, натягивающему веревку, чтобы заставить машину двигаться? Равна ли требуемая тяговая сила статическому трению, т. Е.$F_{pull}=\mu mg$? После этого сила, необходимая для поддержания движения автомобиля с постоянной скоростью, равна сопротивлению качению.$F=cmg$? Кроме того, есть ли какое-то общее значение для «тягового усилия» человека, чтобы вычислить, сколько потребуется, чтобы привести в движение транспортное средство?
Ответы
Очевидно, что существует разница между трением покоя и трением качения. Статическое трение требуется , чтобы дать скорость вращения колеса , когда крутящий момент применяются к нему. Когда колесо достигает определенной скорости и движется с постоянной скоростью (когда крутящий момент больше не применяется), тогда в идеальной ситуации (когда кинетическая энергия колеса не преобразуется в какую-либо другую форму энергии) колесо будет продолжайте катиться, не испытывая больше статического трения (которое ощущается только во время ускорения, вызванного крутящим моментом).
Однако ситуация далека от идеальной. Энергия будет рассеиваться. И именно здесь в игру вступает трение качения. Трения качения колеса приводит к тому , чтобы не ускорить, так как статическое трение делает, но де cellerate колесо. Вращающие моменты имеют противоположные направления в обоих случаях, но не имеют одинакового значения.
Чтобы начать движение колеса, вы можете приложить силу (крутящий момент) до тех пор, пока не будет достигнут определенный предел. Когда прикладывается сила (крутящий момент) со значением выше этого предела, колесо испытывает кинетическое трение (колесо испытывает трение о поверхность, на которой оно находится; посмотрите на дым в ускоряющихся гоночных болидах Формулы 1 на старте, хотя при ускорении статическое трение было бы эффективнее, все драйверы дают просто полный газ).
Когда крутящий момент больше не применяется, колесо замедляется. Это вызвано трением качения .
Моя текущая интерпретация заключается в том, что сопротивление качению применяется только тогда, когда автомобиль уже движется.
Это правильно.
и что нужно преодолеть статическое трение, чтобы перейти от неподвижного состояния к движущемуся?
Это не так. Несмотря на то, что существует небольшая сила статического трения, препятствующая началу качения, она, как правило, слишком мала, чтобы иметь значение. Вместо этого статическое трение предотвращает относительное движение между поверхностью шины и дорогой, т. Е. Занос или скольжение. Сила статического трения предотвращает скольжение колеса и тем самым позволяет колесу катиться вперед. Не препятствует качению.
А статическое трение имеет коэффициент, намного более близкий к единице, так что будет ли эта начальная сила для преодоления статического трения намного выше?
Ближе к одному, чем что? Если иметь в виду коэффициент сопротивления качению, то да. Сопротивление качению - это сила, которая препятствует качению с постоянной скоростью по поверхности. Согласно Википедии сопротивление качению большинства новых легковых шин находится в диапазоне от 0,007 до 0,14, поэтому обычно оно намного меньше, чем коэффициент статического трения. Но опять же, начальное тяговое усилие не должно преодолевать статическое трение.
Постановка проблемы
Пренебрегая трением во внутренних системах автомобиля, как вычислить силу, необходимую человеку, натягивающему веревку, чтобы заставить машину двигаться?
«Привести машину в движение» означает разогнать ее. Сила тяги, необходимая для разгона автомобиля, рассчитывается на основе второго закона Ньютона.
$$a=\frac{F}{m}$$
Требуемая тяговая сила равна статическому трению, т.е. $F_{pull}=\mu mg$?
Нет $umg$- максимально возможная сила статического трения. Сила, необходимая для ускорения ухода, соответствует второму закону Ньютона, как указано выше.
После этого сила, необходимая для поддержания движения автомобиля с постоянной скоростью, равна сопротивлению качению. $F=cmg$?
Правильно, где $c$ коэффициент сопротивления качению (CRR).
Кроме того, есть ли какое-то общее значение для «тягового усилия» человека, чтобы вычислить, сколько потребуется, чтобы привести в движение транспортное средство?
Согласно Канадскому центру охраны труда и техники безопасности, где рабочий может опереться своим телом (или ногами) на твердую конструкцию, он может развить силу до 675 Н. Предполагая, что это применяется к небольшому транспортному средству массой 1000 кг, то согласно $F=ma$ ускорение до 0,675 м / с$^2$было бы возможно. Для сравнения: автомобиль, разгоняющийся от 0 до 60 миль в час за 5,9 секунды, имеет ускорение 4,5 м / с.$^2$
Надеюсь это поможет.