Содержание
ᐉ Силы действующие на автомобиль при движении
Схема сил действующих на ведущее колесо
На движущийся автомобиль действует ряд сил, часть из которых направлена по оси движения автомобиля, а часть — под углом к этой оси. Условимся называть первые из этих сил продольными, а вторые боковыми.
Рис. Схема сил действующих на ведущее колесо.
а — состояние неподвижности; б — состояние движения
Продольные силы могут быть направлены как по ходу, так и против хода движения автомобиля. Силы, направленные по ходу движения, являются движущимися и стремятся продолжить движение. Силы, направленные против хода движения, являются силами сопротивления и стремятся остановить автомобиль.
На автомобиль, движущийся по горизонтальному и прямому участку дороги, действуют следующие продольные силы:
- тяговая сила
- сила сопротивления воздуха
- сила сопротивления качению
При движении автомобиля в гору возникает сила сопротивления подъему, а при разгоне автомобиля—сила сопротивления разгону (сила инерции).
Тяговая сила
Развиваемый двигателем автомобиля крутящий момент передается на ведущие колеса. В передаче крутящего момента от двигателя к ведущим колесам участвуют механизмы трансмиссии. Крутящий момент на ведущих колесах зависит от крутящего момента двигателя и передаточных чисел коробки передач и главной передачи. В точке касания колес с поверхностью дороги крутящий момент вызывает окружную силу. Противодействие дороги этой окружной силе выражается реактивной силой, передаваемой от дороги на ведущее колесо. Эта сила направлена в сторону движения автомобиля и называется толкающей или тяговой силой. Тяговая сила от колес передается на ведущий мост и далее на раму, заставляя автомобиль двигаться. Величина тяговой силы тем больше, чем больше крутящий момент двигателя и передаточные числа коробки передач и главной передачи. Тяговая сила на ведущих колесах достигает наибольшей величины при движении автомобиля на низшей передаче, поэтому низшую передачу используют при трогании с места автомобиля с грузом, при движении автомобиля по бездорожью. Величина тяговой силы на ведущих колесах автомобиля ограничивается сцеплением шин с поверхностью дороги.
Сила сцепления колес с дорогой
Трение, возникающее между ведущими колесами автомобиля и дорогой, называется силой сцепления. Сила сцепления равна произведению коэффициента сцепления на сцепной вес, т. е. вес, приходящийся на ведущие колеса автомобиля. Величина коэффициента сцепления шин с дорогой зависит от качества и состояния дорожного покрытия, формы и состояния рисунка протектора шины, давления воздуха в шине.
У легковых автомобилей полный вес распределяется по осям примерно поровну. Поэтому сцепной вес его можно принять равным 50% полного веса. У грузовых автомобилей при полной их нагрузке сцепной вес (вес, приходящийся на заднюю ось) составляет примерно 60—70% полного веса.
Величина коэффициента сцепления имеет большое значение для эксплуатации автомобиля и безопасности движения, так как от него зависят проходимость автомобиля, тормозные качества, возможность, пробуксовки и заноса ведущих колес. При незначительном коэффициенте сцепления трогание автомобиля с места сопровождается пробуксовкой, а торможение — скольжением колес. В результате автомобиль иногда не удается тронуть с места, а при торможении происходит резкое увеличение тормозного пути и возникновение заноса.
На асфальтобетонных покрытиях в жаркую погоду на поверхность выступает битум, делая дорогу маслянистой и более скользкой, что снижает коэффициент сцепления. Особенно сильно снижается коэффициент сцепления при смачивании дороги первым дождем, когда образуется еще не смытая пленка жидкой грязи. Заснежённая или обледенелая дорога особенно опасна в теплую погоду, когда поверхность подтаивает.
При увеличении скорости движения коэффициент сцепления снижается, в особенности на мокрой дороге, так как выступы рисунка протектора шины не успевают продавливать пленку влаги.
Исправное состояние рисунка протектора шины имеет большое значение при движении по грунтовым дорогам, снегу, песку, а также по дорогам с твердым покрытием, по покрытым пленкой грязи или воды. Благодаря наличию выступов рисунка опорная площадь шины уменьшается и, следовательно, возрастает удельное давление на поверхность дороги. При этом легче продавливается грязевая пленка и восстанавливается контакт с дорожным покрытием, а на легком грунте происходит непосредственное зацепление выступов рисунка за грунт.
Повышенное давление воздуха в шине уменьшает ее опорную поверхность, вследствие чего удельное давление возрастает настолько, что при трогании с места и при торможении может произойти разрушение резины и сцепление колес с дорогой уменьшается.
Таким образом, величина коэффициента сцепления зависит от многих условий и может изменяться в довольно значительных пределах. Так как много дорожно-транспортных происшествий происходит из-за плохого сцепления, то водители должны уметь приблизительно оценивать величину коэффициента сцепления и выбирать скорость движения и приемы управления в соответствии с ним.
Сила сопротивления воздуха
При движении автомобиль преодолевает сопротивление воздуха, которое складывается из нескольких сопротивлений:
- лобового сопротивления (около 55—60% всего сопротивления воздуха)
- создаваемого выступающими частями—подножками автобуса или автомобиля, крыльями (12—18%)
- возникающего при прохождении воздуха через радиатор и подкапотное пространство (10—15%) и др.
Передней частью автомобиля воздух сжимается и раздвигается, в то время как в задней части автомобиля создается разрежение, которое вызывает образование завихрений.
Сила сопротивления воздуха зависит от величины лобовой, поверхности автомобиля, его формы, а также от скорости движения. Лобовую площадь грузового автомобиля определяют как произведение колеи (расстояние между шинами) на высоту автомобиля. Сила сопротивления воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости движения автомобиля (если скорость возрастает в 2 раза, то сопротивление воздуха увеличивается в 4 раза).
Для улучшения обтекаемости и уменьшения сопротивления воздуха ветровое стекло автомобиля располагают наклонно, а выступающие детали (фары, крылья, ручки дверей) устанавливают заподлицо с внешними очертаниями кузова. У грузовых автомобилей можно уменьшить силу сопротивления воздуха, закрыв грузовую платформу брезентом, натянутым между крышей кабины и задним бортом.
Сила сопротивления качению
На каждое колесо автомобиля постоянно действует вертикальная нагрузка, которая вызывает вертикальную реакцию дороги. При движении автомобиля на него действует сила сопротивления качению, которая возникает вследствие деформации шин и дороги и трения шин о дорогу.
Сила сопротивления качению равна произведению полного веса автомобиля на коэффициент сопротивления качению шин, который зависит от давления воздуха в шинах и качества дорожного покрытия. Вот- некоторые значения коэффициента сопротивления качению шин:
- для асфальтобетонного покрытия— 0,014—0,020
- для гравийного покрытия—0,02—0,025
- для песка—0,1—0,3
Сила сопротивления подъему
Автомобильная дорога состоит из чередующихся между собой подъемов и спусков и редко имеет горизонтальные участки большой длины.
При движении на подъем автомобиль испытывает дополнительное сопротивление, которое зависит от угла наклона дороги к горизонту. Сопротивление подъему тем больше, чем больше вес автомобиля и угол наклона дороги. При подъезде к подъему необходимо правильно оценить возможности преодоления подъема. Если подъем непродолжительный, его преодолевают с разгоном автомобиля перед подъемом. Если подъем продолжительный, его преодолевают на пониженной передаче, переключившись на нее у начала подъема.
При движении автомобиля на спуске сила сопротивления подъему направлена в сторону движения и является движущей силой.
Сила сопротивления разгону
Часть тяговой силы при разгоне затрачивается на ускорение вращающихся масс, главным образом маховика коленчатого вала двигателя и колес автомобиля. Для того чтобы автомобиль начал двигаться с определенной скоростью, ему необходимо преодолеть силу сопротивления разгону, равную произведению массы автомобиля на ускорение. При разгоне автомобиля сила сопротивления разгону направлена в сторону, обратную движению. При торможении автомобиля и замедлении его движения эта сила направлена в сторону движения автомобиля. Бывают случаи, когда при резком разгоне груз или пассажиры падают из открытого кузова, с сидений мотоцикла, а при резком торможении пассажиры ударяются о лобовое стекло или о передний борт автомобиля. Для того чтобы таких случаев не было, необходимо, плавно увеличивая частоту вращения коленчатого вала двигателя, преодолевать силу сопротивления разгону и плавно осуществлять торможение автомобиля.
Центр тяжести
На автомобиль, как и на любое другое тело, действует сила тяжести, направленная вертикально вниз. Центром тяжести автомобиля называют такую точку автомобиля, от которой вес автомобиля распределяется равномерно во всех направлениях. У автомобиля центр тяжести располагается между передней и задней осью на высоте около 0,6 м для легковых и 0,7—1,0 м для грузовых. Чем ниже расположен центр тяжести, тем устойчивее автомобиль против опрокидывания. При загрузке автомобиля грузом центр тяжести поднимается у легковых автомобилей примерно на 0,3—0,4 м, а у грузовых на 0,5 м и более в зависимости от рода груза. При неравномерном укладывании груза центр тяжести может также сместиться вперед, назад или в сторону, при этом будут нарушаться устойчивость автомобиля и легкость управления.
Вопрос 39. Силы, действующие на автомобиль при повороте
Движение автомобиля при его повороте сопровождается изменением его положения относительно неподвижной системы координат. Это движение связано с изменением как кинематических, так и динамических (силовых) параметров движения. В целом движение на повороте может быть описано следующими характеристиками:
1) силы инерции, действующие на автомобиль при повороте Р .
В общем случае силы инерции могут быть представлены в виде продольной составляющей Р и поперечной составляющей Р в системе координат связанной с автомобилем:
Р = m (j — V ) и Р = m (V + d V /dt)
Причем, положительное направление Р противоположно направлению движения автомобиля, а положительное направление Р — направление от центра поворота.
При отсутствии увода и с учетом угла поворота, как основного задающего параметра эти силы могут быть представлены в следующем виде:
Р = m (j — V b /L) и Р = m (V + V b /L + j b /L)
При этом составляющая Р может быть представлена в виде трех слагаемых:
Р = m V = m V /R – проекция центробежной силы на поперечную ось.
Р = m V b /L – сила, возникающая в результате изменения угла поворота управляемых колес и изменения улов увода. При отсутствии увода эта ситла положительна при входе в поворот и отрицательна при выходе. При больших углах увода эта сила может быть отрицательна при входе в поворот и положительна при выходе.
Р = m j b /L — сила, возникающая в результате изменения скорости движения автомобиля на повороте. При отсутствии увода она положительна при ускоренном движении и отрицательна при замедленном. При небольших и больших углах увода эта сила может быть положительной и в процессе замедления.
2) реакции дороги R и R .
В общем случае: R = (Р b + J )/L и R = (Р a — J )/L
где: J — момент инерции автомобиля относительно вертикальной оси Z, проходящей через его центр масс.
Учитывая, что J = m , где: ab, подставляя выражения для Р и получим, без учета увода:
R = m (V /R + V + j ) и R = m V /R
Для установившегося кругового движения: R = m V /R и R = m V /R.
Принято называть удельной боковой силой отношение боковой силы, действующей на оси, к нагрузке, приходящейся на колеса этой оси.
При установившемся круговом движении =. При неустановившемся движении . Так, при малых углах увода, при входе в поворот или ускоренном движении , а при выходе из поворота или замедлении .
С точки зрения обеспечения устойчивости движения более желательным является выполнение условия .
3) продольные реакции Rи R.
Продольные реакции на ведомых колесах Rпри криволинейном движении остаются практически такими же, как и при прямолинейном движении.
Для нахождения продольной реакции на ведущих колесах Rиспользуют уравнение движения в направлении продольной оси, откуда:
R = Р + R + R + P
Уравнение силового баланса при криволинейном движении можно записать так: Р = P + P + Р + Р + Р + Р ,
где:
Р — сила, возникающая в результате изменения кинетической энергии вращательного движения автомобиля. При входе в поворот и при разгоне кинетическая энергия вращательного движения автомобиля увеличивается за счет энергии, подводимой к ведущим колесам от двигателя, а при выходе из поворота и при снижении скорости энергия уменьшается, что приводит к снижению необходимой тяговой силы.
Р — сила сопротивления движению, возникающая в результате качения колес на повороте с уводом. Энергия, затрачиваемая на увод, теряется безвозвратно.
Р = G /K
где: K =K K L /(K a + K b ) – приведенный к-т сопротивления уводу всех колес автомобиля.
4) нормальные реакции Rна колесах автомобиля.
При криволинейном движении автомобиля нормальные реакции существенно отличаются от тех же реакций при прямолинейном движении. В результате действия инерционных сил и моментов в поперечной плоскости, нормальные реакции перераспределяются по бортам. В тех случаях, когда нужно найти реакции, действующие на каждом из колес, даже у двуосного автомобиля задача оказывается статически неопределимой и реакции могут быть найдены приближенно.
|
Дата добавления: 2014-01-20; Просмотров: 3506; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
6.6: Центростремительная сила — Физика LibreTexts
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 17913
- OpenStax
- OpenStax
Цели обучения
- Объясните уравнение для центростремительного ускорения
- Применить второй закон Ньютона для получения уравнения центростремительной силы
- Использовать концепции кругового движения при решении задач, связанных с законами движения Ньютона
В книге «Движение в двух и трех измерениях» мы рассмотрели основные понятия кругового движения. Объект, совершающий круговое движение, например один из гоночных автомобилей, показанных в начале этой главы, должен ускоряться, потому что он меняет направление своей скорости. Мы доказали, что это направленное по центру ускорение, называемое центростремительным ускорением, определяется формулой 9{2} \ldotp\]
Угловая скорость показывает скорость, с которой объект вращается по кривой, в рад/с. Это ускорение действует по радиусу криволинейной траектории и поэтому также называется радиальным ускорением.
Ускорение должно создаваться силой. Любая сила или комбинация сил может вызвать центростремительное или радиальное ускорение. Вот лишь несколько примеров: натяжение веревки на тросовом шаре, сила земного притяжения на Луне, трение между роликовыми коньками и полом катка, сила наклона проезжей части, действующая на автомобиль, и силы на трубе вращающейся центрифуги. . Любая результирующая сила, вызывающая равномерное круговое движение, называется центростремительная сила . Направление центростремительной силы совпадает с направлением центростремительного ускорения к центру кривизны. Согласно второму закону движения Ньютона, результирующая сила равна массе, умноженной на ускорение: F net = ma. Для равномерного кругового движения ускорение равно центростремительному ускорению: a = a c . Таким образом, величина центростремительной силы F c равна
\[F_{c} = ma_{c} \ldotp\]
Подставляя выражения для центростремительного ускорения a 9{2}}{F_{c}} \ldotp\]
Это означает, что для данной массы и скорости большая центростремительная сила вызывает малый радиус кривизны, то есть узкую кривую, как на рисунке \(\ Индекс страницы{1}\).
Рисунок \(\PageIndex{1}\): Сила трения дополняет центростремительную силу и численно равна ей. Центростремительная сила перпендикулярна скорости и вызывает равномерное круговое движение. Чем больше F c , тем меньше радиус кривизны r и тем острее кривая. Вторая кривая имеет тот же v, но большую F c дает меньшее значение r′.
Пример \(\PageIndex{1}\): Какой коэффициент трения нужен автомобилям на плоской кривой?
- Рассчитайте центростремительную силу, действующую на автомобиль массой 900,0 кг, который движется по кривой радиусом 500,0 м со скоростью 25,00 м/с.
- Предполагая, что кривая не имеет наклона, найдите минимальный статический коэффициент трения между шинами и дорогой, причем статическое трение является причиной, удерживающей автомобиль от скольжения (рисунок \(\PageIndex{2}\)).
Рисунок \(\PageIndex{2}\): Этот автомобиль на ровном месте удаляется и поворачивает влево. Центростремительная сила, заставляющая автомобиль поворачивать по круговой траектории, возникает из-за трения между шинами и дорогой. Необходим минимальный коэффициент трения, иначе автомобиль будет двигаться по кривой с большим радиусом и сойдет с проезжей части. 9{2}}{(500,0\; м)} = 1125\; N \ldotp$$

Значение
Коэффициент трения, показанный на рисунке \(\PageIndex{2b}\), намного меньше, чем обычно наблюдается между шинами и дорогами. Автомобиль все еще преодолевает кривую, если коэффициент больше 0,13, потому что статическое трение является реактивной силой, которая может принимать значение меньше, но не больше, чем \(\mu_{s}\)N. Более высокий коэффициент также позволит автомобилю проходить поворот на более высокой скорости, но если коэффициент трения меньше, безопасная скорость будет меньше 25 м/с. Обратите внимание, что масса отменяется, а это означает, что в этом примере не имеет значения, насколько сильно загружена машина для преодоления поворота. Масса компенсируется, потому что предполагается, что трение пропорционально нормальной силе, которая, в свою очередь, пропорциональна массе. Если бы поверхность дороги была наклонной, нормальная сила была бы меньше, как обсуждается далее.
Упражнение \(\PageIndex{1}\)
Автомобиль, движущийся со скоростью 96,8 км/ч, движется по кривой окружности радиусом 182,9 м по ровной проселочной дороге. Каким должен быть минимальный коэффициент трения покоя, чтобы автомобиль не скользил?
Кривые с виражами
Теперь рассмотрим кривых с виражами , где наклон дороги помогает вам преодолевать кривую (рис. \(\PageIndex{3}\)). Чем больше угол θ, тем быстрее вы сможете пройти кривую. Например, гоночные трассы для велосипедов и автомобилей часто имеют крутые повороты. В «идеально наклонной кривой» угол \(\theta\) таков, что вы можете преодолевать кривую на определенной скорости без помощи трения между шинами и дорогой. Мы выведем выражение для \(\theta\) для идеально изогнутой кривой и рассмотрим пример, связанный с ним.
Рисунок \(\PageIndex{3}\): Автомобиль на этой кривой с наклоном удаляется и поворачивает влево.
Для идеального крена чистая внешняя сила равна горизонтальной центростремительной силе при отсутствии трения. {2}}{г}\). Поскольку это решающая сила, и она горизонтальна, мы используем систему координат с вертикальной и горизонтальной осями. Только нормальная сила имеет горизонтальную составляющую, поэтому она должна равняться центростремительной силе, то есть 9{2}}{r} \ldotp\]
Поскольку автомобиль не отрывается от поверхности дороги, результирующая вертикальная сила должна быть равна нулю, а это означает, что вертикальные составляющие двух внешних сил должны быть равны по величине и противоположны друг другу. в направлении. Из рисунка \(\PageIndex{3}\) мы видим, что вертикальная составляющая нормальной силы равна N cos \(\theta\), а единственная другая вертикальная сила — это вес автомобиля. Они должны быть равны по величине; таким образом,
\[N \cos \theta = mg \ldotp\]
Теперь мы можем объединить эти два уравнения, чтобы исключить N и получить желаемое выражение для \(\theta\). Решение второго уравнения относительно N = \(\frac{mg}{(\cos \theta)}\) и подстановка его в первое дает 9{2}}{rg}\right) \ldotp \label{6. 4}\]
Это выражение можно понять, рассмотрев зависимость \(\theta\) от v и r. Большое значение \(\theta\) получается при большом v и малом r. То есть дороги должны иметь крутой уклон для высоких скоростей и крутых поворотов. Трение помогает, потому что оно позволяет вам проходить кривую с большей или меньшей скоростью, чем если бы кривая была без трения. Обратите внимание, что \(\theta\) не зависит от массы транспортного средства.
Пример \(\PageIndex{2}\): Какова идеальная скорость для прохождения крутого крутого поворота?
Кривые на некоторых тестовых трассах и гоночных трассах, таких как Daytona International Speedway во Флориде, очень крутые. Этот крен с помощью трения шин и очень стабильной конфигурации автомобиля позволяет проходить повороты на очень высокой скорости. Для иллюстрации рассчитайте скорость, с которой следует двигаться по кривой радиусом 100,0 м с наклоном 31,0°, если бы на дороге не было трения.
Стратегия
Прежде всего заметим, что все члены выражения для идеального угла кривой с креном, кроме скорости, известны; таким образом, нам нужно только переставить его так, чтобы скорость появилась в левой части, а затем подставить известные величины. 9{2})(0,609)} = 24,4\; м/с \ldotp\]
Значение
Это примерно 165 км/ч, что соответствует очень крутому виражу и довольно резкому повороту. Трение в шинах позволяет автомобилю проходить поворот на значительно более высоких скоростях.
Самолеты также делают повороты по крену. Подъемная сила из-за силы воздуха, действующей на крыло, действует под прямым углом к крылу. Когда самолет кренится, пилот получает большую подъемную силу, чем необходимо для горизонтального полета. Вертикальная составляющая подъемной силы уравновешивает вес самолета, а горизонтальная составляющая ускоряет его. Угол крена, показанный на рисунке \(\PageIndex{4}\), определяется как \(\theta\). Мы анализируем силы так же, как рассматривали случай, когда автомобиль огибает кривую с креном.
Рисунок \(\PageIndex{4}\): В повороте с креном горизонтальная составляющая подъемной силы неуравновешена и ускоряет самолет. Нормальная составляющая подъемной силы уравновешивает вес самолета. Угол крена определяется как \(\theta\). Сравните векторную диаграмму с диаграммой, показанной на рис. 6.22.
Моделирование
Присоединяйтесь к божьей коровке в исследовании вращательного движения. Вращайте карусель, чтобы изменить ее угол или выбрать постоянную угловую скорость или угловое ускорение. Изучите, как круговое движение связано с координатами, скоростью и ускорением жука, используя векторы или графики.
Примечание
Круговое движение требует силы, так называемой центростремительной силы, которая направлена к оси вращения. Эта упрощенная модель карусели демонстрирует эту силу.
Силы инерции и неинерциальные (ускоренные) системы отсчета: сила Кориолиса
Что имеют в виду взлет реактивного самолета, поворот на автомобиле, катание на карусели и круговое движение тропического циклона? общий? Каждая проявляет силы инерции — силы, которые просто кажутся возникающими из-за движения, потому что система отсчета наблюдателя ускоряется или вращается. Большинство людей согласятся, что при взлете в реактивном самолете вас как будто вдавливают обратно в сиденье, когда самолет ускоряется на взлетно-посадочной полосе. Тем не менее, физик сказал бы, что вы склонны оставаться неподвижными, в то время как сиденье толкает вас вперед. Еще более частый случай возникает, когда вы делаете крутой поворот на автомобиле, например, вправо (рис. \(\PageIndex{5}\)). Вы чувствуете, как будто вас отбрасывает (то есть вынуждает) влево относительно автомобиля. Опять же, физик сказал бы, что вы едете по прямой (вспомните первый закон Ньютона), но машина движется вправо, а не в том, что на вас действует сила слева.
Рисунок \(\PageIndex{5}\): (a) Водитель автомобиля чувствует себя вынужденным сместиться влево относительно автомобиля, когда он поворачивает направо. Это сила инерции, возникающая из-за использования автомобиля в качестве системы отсчета. б) В земной системе отсчета водитель движется прямолинейно, подчиняясь первому закону Ньютона, а машина движется вправо. Слева на водителя относительно Земли силы нет. Вместо этого справа на автомобиль действует сила, заставляющая его поворачиваться.
Мы можем согласовать эти точки зрения, изучив используемые системы отсчета. Давайте сосредоточимся на людях в машине. Пассажиры инстинктивно используют автомобиль в качестве системы отсчета, тогда как физик может использовать Землю. Физик может сделать такой выбор, потому что Земля представляет собой почти инерциальную систему отсчета, в которой все силы имеют идентифицируемое физическое происхождение. В такой системе отсчета законы движения Ньютона принимают форму, данную в законах движения Ньютона. Машина неинерциальная система отсчета , потому что она ускоряется в сторону. Сила слева, воспринимаемая пассажирами автомобиля, представляет собой инерционную силу , не имеющую физического происхождения (она обусловлена исключительно инерцией пассажира, а не какой-либо физической причиной, такой как напряжение, трение или гравитация). Автомобиль, как и водитель, фактически ускоряется вправо. Эта сила инерции называется силой инерции, потому что она не имеет физического происхождения, такого как гравитация.
Физик выберет любую систему отсчета, наиболее удобную для анализируемой ситуации. Для физика не проблема включить силы инерции и второй закон Ньютона, как обычно, если это удобнее, например, на карусели или на вращающейся планете. Неинерциальные (ускоренные) системы отсчета используются, когда это полезно. При обсуждении движения астронавта в космическом корабле, летящего со скоростями, близкими к скорости света, необходимо учитывать различные системы отсчета, как вы оцените при изучении специальной теории относительности.
Теперь давайте мысленно прокатимся на карусели, а именно на быстро вращающейся карусели для игровой площадки (рис. \(\PageIndex{6}\)). Вы принимаете карусель за систему отсчета, потому что вращаетесь вместе. При вращении в этой неинерциальной системе отсчета вы чувствуете силу инерции, которая стремится сбить вас с толку; это часто называют центробежной силой (не путать с центростремительной силой). Центробежная сила является широко используемым термином, но на самом деле его не существует. Вы должны крепко держаться, чтобы противодействовать своей инерции (которую люди часто называют центробежной силой). В земной системе отсчета нет силы, пытающейся сбросить вас; подчеркнем, что центробежная сила — фикция. Вы должны цепляться за то, чтобы заставить себя двигаться по кругу, потому что иначе вы пойдете по прямой, сразу же с карусели, в соответствии с первым законом Ньютона. Но сила, которую вы прикладываете, действует по направлению к центру круга.
Рисунок \(\PageIndex{6}\): (a) Всадник на карусели чувствует, как будто его сбрасывают. Эту силу инерции иногда ошибочно называют центробежной силой, пытаясь объяснить движение всадника во вращающейся системе отсчета. (b) В инерциальной системе отсчета и в соответствии с законами Ньютона его увлекает инерция (незаштрихованный всадник имеет F net = 0 и движется прямолинейно). Сила F центростремительная необходима, чтобы вызвать движение по окружности.
Этот инерционный эффект, уносящий вас от центра вращения, если нет центростремительной силы, вызывающей круговое движение, хорошо используется в центрифугах (рис. \(\PageIndex{7}\)). Как упоминалось ранее в этой главе, центрифуга вращает образец очень быстро. Если смотреть со стороны вращающейся системы отсчета, сила инерции выбрасывает частицы наружу, ускоряя их осаждение. Чем больше угловая скорость, тем больше центробежная сила. Но на самом деле происходит то, что инерция частиц несет их вдоль линии, касательной к окружности, в то время как пробирка движется по круговой траектории под действием центростремительной силы.
Рисунок \(\PageIndex{7}\): Центрифуги используют инерцию для выполнения своей задачи. Частицы в жидком осадке оседают, потому что их инерция уносит их от центра вращения. Большая угловая скорость центрифуги ускоряет седиментацию. В конечном итоге частицы вступают в контакт со стенками пробирки, которые затем создают центростремительную силу, необходимую для того, чтобы заставить их двигаться по окружности постоянного радиуса.
Давайте теперь рассмотрим, что происходит, если что-то движется во вращающейся системе отсчета. Например, что, если вы отодвинете мяч прямо от центра карусели, как показано на рисунке \(\PageIndex{8}\)? Мяч движется по прямой относительно Земли (при условии пренебрежимо малого трения) и по кривой вправо на поверхности карусели. Человек, стоящий рядом с каруселью, видит, как мяч движется прямо, а карусель вращается под ним. В системе отсчета карусели мы объясняем кажущуюся кривую вправо с помощью силы инерции, называемой 9.0052 Сила Кориолиса , которая заставляет мяч искривляться вправо. Любой человек в этой системе отсчета может использовать силу Кориолиса, чтобы объяснить, почему объекты следуют кривым траекториям, и позволяет нам применять законы Ньютона в неинерциальных системах отсчета.
Рисунок \(\PageIndex{8}\): Глядя вниз на вращение карусели против часовой стрелки, мы видим, что мяч, скользящий прямо к краю, движется по кривой вправо. Человек двигает мяч к точке B, начиная с точки A. Обе точки поворачиваются к заштрихованным позициям (A’ и B’), показанным во времени, когда мяч следует по кривой траектории во вращающейся системе отсчета и по прямой траектории в системе Земли. .
До сих пор мы считали Землю инерциальной системой отсчета, практически не беспокоясь о последствиях ее вращения. Однако такие эффекты существуют, например, при вращении погодных систем. Большинство последствий вращения Земли можно качественно понять по аналогии с каруселью. Если смотреть сверху на Северный полюс, Земля вращается против часовой стрелки, как и карусель на рисунке \(\PageIndex{8}\). Как и на карусели, любое движение в Северном полушарии Земли вызывает действие силы Кориолиса вправо. Как раз обратное происходит в Южном полушарии; там сила слева. Поскольку угловая скорость Земли невелика, сила Кориолиса обычно незначительна, но для крупномасштабных движений, таких как ветры, она оказывает существенное влияние.
Сила Кориолиса заставляет ураганы в северном полушарии вращаться против часовой стрелки, тогда как тропические циклоны в южном полушарии вращаются по часовой стрелке. (Термины ураган, тайфун и тропический шторм являются региональными названиями циклонов, которые представляют собой штормовые системы, характеризующиеся центрами низкого давления, сильными ветрами и проливными дождями.) Рисунок \(\PageIndex{9}\) помогает показать, как эти вращения происходит. Воздух течет к любой области низкого давления, а тропические циклоны содержат особенно низкое давление. Таким образом, ветры направляются к центру тропического циклона или к погодной системе низкого давления на поверхности. В Северном полушарии эти внутренние ветры отклоняются вправо, как показано на рисунке, создавая циркуляцию против часовой стрелки на поверхности для зон низкого давления любого типа. Низкое давление у поверхности связано с восходящим воздухом, что также приводит к охлаждению и образованию облаков, что делает модели низкого давления хорошо видимыми из космоса. И наоборот, циркуляция ветра вокруг зон высокого давления в Южном полушарии происходит по часовой стрелке, но она менее заметна, поскольку высокое давление связано с опусканием воздуха, что приводит к чистому небу.
Рисунок \(\PageIndex{9}\): (a) Вращение этого урагана в Северном полушарии против часовой стрелки является основным следствием действия силы Кориолиса. (b) Без силы Кориолиса воздух попадал бы прямо в зону низкого давления, например, в тропических циклонах. (c) Сила Кориолиса отклоняет ветры вправо, вызывая вращение против часовой стрелки. (d) Ветер, идущий от зоны высокого давления, также отклоняется вправо, создавая вращение по часовой стрелке. (e) Противоположное направление вращения создается силой Кориолиса в Южном полушарии, что приводит к тропическим циклонам. (кредит a и кредит e: модификации работы НАСА)
Вращение тропических циклонов и траекторию мяча на карусели с таким же успехом можно объяснить инерцией и вращением системы под ними. Когда используются неинерциальные системы отсчета, необходимо изобрести силы инерции, такие как сила Кориолиса, чтобы объяснить кривую траекторию. Не существует идентифицируемого физического источника этих сил инерции. В инерциальной системе отсчета инерция объясняет траекторию, и ни одна сила не имеет идентифицируемого источника. Любая точка зрения позволяет нам описывать природу, но точка зрения в инерциальной системе отсчета является самой простой в том смысле, что все силы имеют происхождение и объяснения.
Эта страница под названием 6.6: Centripetal Force распространяется по лицензии CC BY и была создана, изменена и/или курирована OpenStax.
- Наверх
- Была ли эта статья полезной?
- Тип изделия
- Раздел или Страница
- Автор
- ОпенСтакс
- Лицензия
- СС BY
- Показать оглавление
- нет
- Включено
- да
- Теги
- изогнутая кривая
- центростремительная сила
- сила Кориолиса
- идеальное банковское дело
- сила инерции
- неинерциальная система отсчета
- источник-физ-4001
ДИНАМИКА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
ДИНАМИКА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
Динамика транспортного средства представляет собой сложный аналитический и
экспериментальная технология, которая используется для изучения и понимания ответов
автомобиля в различных ситуациях движения.
В области обучения водителей нет необходимости иметь дело с
особенности этой технологии, а с некоторыми из основных физических
принципов, задействованных в нем.
в этом блоке будут обсуждаться следующие принципы.
И.
Кинетическая энергия
II.
Центробежная сила
III.
Инерция
IV.
Трение
В.
Тяга
Есть
не намерен давать полное техническое определение каждого принципа, но
представить их таким образом, который будет полезен для понимания того, почему транспортное средство
действует так, как это делает.
Кинетическая энергия — это термин, описывающий энергию
транспортное средство имеет из-за его массы и скорости.
Его формула проста, но говорит о многом.
Кинетическая энергия = (масса) x
(скорость) 2
Это показывает, что кинетическая энергия транспортного средства
возрастает пропорционально квадрату скорости.
Это означает, что если скорость удвоится, энергия увеличится в четыре раза.
раз. Это увеличение энергии не вызывает
проблема, если только она не должна быть быстро рассеяна или перенаправлена.
Один
Способ, которым кинетическая энергия может рассеиваться очень быстро, — это когда транспортное средство сталкивается с
твердый предмет. В этом случае, когда
скорость удваивается, в четыре раза больше энергии доступно для повреждения транспортного средства и
ранить своих пассажиров. кинетический
энергия автомобиля массой 4000 фунтов, движущегося со скоростью 100 миль в час, равна 1,36 млн.
футов достаточно, чтобы поднять человека весом 175 фунтов на 1,5 мили. Чтобы остановить это транспортное средство, необходима огромная энергия.
быть рассеянным. Это может быть выполнено
ударом или тормозом. Остановка
расстояние связано с квадратом скорости; следовательно, для скорости 30 миль в час требуется четыре
раз расстояние до остановки, чем 15 миль в час.
Многие водители никогда не задумываются о последствиях увеличения скорости, но они
должны быть осведомлены о связанных с этим рисках.
ЦЕНТРОБЕЖНАЯ СИЛА
Когда
автомобиль поворачивается, центробежная сила действует на автомобиль и пытается толкнуть его в
снаружи кривой. Формула
равно:
Центробежная сила = (масса) X
(скорость) 2 / радиус поворота
Это
показывает, что центробежная сила возрастает пропорционально квадрату скорости. Также при заданной скорости малый (узкий) радиус
повороты производят больше силы, чем повороты большого радиуса. Большие количества центробежной силы требуют столь же больших количеств
противодействующей силы от шин, если транспортное средство должно оставаться на
дорога. Шины можно рассматривать как
струны от каждого конца транспортного средства к центру поворота. Если центробежная сила выше
шины могут противодействовать, порвется одна или обе струны. После этого автомобиль выйдет из поворота.
ИНЕРЦИЯ
Инерция
сопротивление изменению направления или скорости тела в состоянии покоя
или в движении. В данном случае это
связанные с изменением курса или направления транспортного средства; то есть меняется
от движения прямо до поворота.
важность инерции и распределения веса, поскольку они связаны с вождением, заключается в том, что
они влияют на количество времени, необходимое для перехода от прямого к
поворот или наоборот. Хотя эти
изменения при обычной загрузке автомобиля невелики, водитель должен
распознавать необычную загрузку транспортного средства, например, размещение большого груза
на задней двери универсала (или добавление тяжелого груза на
крыша автомобиля) вызовет изменения в способе вождения автомобиля и регулировки
должны быть сделаны в вождении соответственно.
С
инерция диктует, что движущееся тело будет продолжать двигаться прямолинейно
линии, необходимо приложить силу, чтобы заставить транспортное средство повернуться. Эта сила называется Центростремительная сила ,
и является результатом того, что шины растягиваются, чтобы увести автомобиль с прямого пути. Центростремительная сила должна превышать центробежную
усилие , чтобы автомобиль повернулся.
МОМЕНТЫ ИНЕРЦИИ:
А.
Шаг силы, ощущаемой при ускорении или торможении вокруг
(Горизонтальная ось) автомобиля
B.
Сила качения, ощущаемая при прохождении поворотов, движение из стороны в сторону (боковое
оси) автомобиля
C.
Рыскание сила, ощущаемая при вращении вокруг (вертикальной оси)
транспортное средство
ПОЛЯРНЫЙ МОМЕНТ ИНЕРЦИИ
Очень важная концепция обращения, которая диктует
готовность автомобиля изменить направление движения, если это называется полярным моментом
инерции. Полюса инерции просто
другой способ сказать центр концентрации веса. Момент в этом понятии определяется
по передне-заднему расположению центра тяжести. Автомобиль поворачивает (меняет направление) вокруг своей оси.
центр тяжести в углу поэтому дальше центры тяжести
концентрации расположены от центра тяжести (что является их общим
центре), тем больше момент.
Высокий полярный момент инерции присутствует, когда
массовые концентрации тяжелые и далеко друг от друга. Малый полярный момент инерции находится при весе
концентрации легкие и близки друг к другу. Другими словами, легче управлять транспортным средством с низкой полярностью.
момент инерции.
Транспортное средство с малым полярным моментом инерции дает
быстрая реакция на команды руля. А
транспортное средство с высоким полярным моментом обладает высокой курсовой устойчивостью (т.
сопротивляется изменению направления).
Трение
определяется как сопротивление движению между двумя поверхностями. Различают четыре основных типа трения.
А.
Статическая удерживающая сила между двумя покоящимися поверхностями
B.
Скольжение сопротивления движению между двумя поверхностями, которые
движутся друг через друга
С.
Сопротивление качению катящегося объекта, такого как мяч,
цилиндр или колесо
D.
Внутреннее сопротивление движению внутри упругих объектов (шины получают
нагреваются от внутреннего трения при изгибании)
величина трения между двумя поверхностями зависит от:
1)
вещество материала
2)
шероховатость поверхностей
3)
количество силы, прижимающей поверхности друг к другу
4)
наличие смазочных материалов
величина трения между двумя поверхностями называется коэффициентом трения .
КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ
Коэффициент трения определяется как
максимальная сила, которую может создать шина на данном дорожном покрытии
состоянии, деленное на вес на шине.
Its formula is:
Maximum Force Available
Coefficient of Friction = Weight on the Tire
OR
Максимальная доступная сила = коэффициент трения
X вес колесной нагрузки
Таким образом, маневренность автомобиля на сухом
дорога зависит в первую очередь от дорожного покрытия и веса автомобиля. На мокрой дороге другие факторы, такие как шина
состояние тоже надо учитывать.
По мере ускорения или замедления автомобиля больше
быстро или по мере того, как автомобиль поворачивает на более высоких скоростях, требуется большее
силы тяги от комбинации шина-дорога. Комбинация шины и дороги создаст эти силы вплоть до
предел трения.
Тяга
определяется как адгезионное трение шины о дорожное покрытие. Существует три силы тяги:
1)
Приводная тяга Для ускорения автомобиля
2)
Торможение Тяга Для замедления или остановки автомобиля
3)
Сцепление на поворотах Для поворота автомобиля
В
всякий раз, когда сила тяги становится больше, чем коэффициент трения
автомобиль выйдет из-под контроля.