W jaki sposób ciężarówka o wadze 5000 funtów może holować 10000 funtów?

Czekaj, czy to nie jest sprzeczne z fizyką? Nie. Tim McCaig / iStockPhoto

Czy kiedykolwiek patrzyłeś ze zdumieniem, jak pickup holuje ogromny ładunek cegieł? Jeśli pomyślałeś: „Wow, to przeczy prawom fizyki!” byłbyś w błędzie.

Wierz lub nie, ale prawa fizyki (a dokładniej prawa ruchu) w rzeczywistości pozwalają ciężarówce o masie 5000 funtów (2268 kilogramów) na holowanie ładunku o masie 10000 funtów (4536 kg). To element wzajemnego oddziaływania energii wywieranej przez silnik ciężarówki i sił grawitacji. Jest to jednak niemały wyczyn; jeśli pamiętasz trzecie prawo dynamiki Newtona, wiesz, że od momentu, gdy Twoja ciężarówka zaczyna się poruszać, istnieją siły, które przeciwstawiają się jej na każdym kroku.

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 ciężarówki jest na parkingu, a ciężarówka jest nieruchoma, uważa się, że jest w spoczynku. Grawitacyjne pchnięcie w dół w kierunku środka ziemi i pchnięcie w górę z ziemi (tzw normalna siła) przeciwstawiaj się sobie, aby Twoja ciężarówka była nieruchoma. Twoja ciężarówka pozostanie na swoim miejscu - w końcu obiekt w spoczynku zwykle pozostaje w spoczynku.

Ale nie chcesz odpoczywać, chcesz holować. Oznacza to, że musisz przezwyciężyć tę tendencję do odpoczynku zastosowana siła. Na szczęście Twoja ciężarówka ma silnik, który może wytwarzać energię, która służy jako przyłożona siła potrzebna do poruszania się. Podczas gdy przeciwne siły normalne i grawitacyjne nadal pozostają, aby przyspieszyć, będziesz musiał radzić sobie z siłami tarcia. Zamiast w górę iw dół, siły te istnieją równolegle do podłoża i pchają w kierunku przeciwnym do tego, w jakim chcesz się poruszać. Nie możesz złapać przerwy z fizycznego punktu widzenia, prawda?

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

Przyjmijcie to, chłopaki. Tutaj powstaje moment obrotowy. Hill Street Studios / Getty Images

Istnieją dwa rodzaje sił tarcia, które działają przeciwko tobie podczas prowadzenia ciężarówki. Tarcie statyczne to tarcie, jakie napotkają opony, zanim osiągną poziom próg ruchu. Gdy koła zaczną się poruszać, próg ruchu został przekroczony i opony muszą sobie z tym poradzić tarcie kinetyczne -- lub w przypadku koła, tarcie toczne. Aby przyspieszyć, należy pokonać tarcie statyczne poprzez przyłożoną siłę, ale tak nie jest w przypadku tarcia tocznego. Zamiast tego, celem jest przyspieszenie, aż przyłożona siła zrówna się z tarciem tocznym zastosowanym do opon. Gdy wielkość przyłożonej siły dopasuje się do wartości tarcia tocznego, osiągniesz punkt stałej prędkości. Możesz to poznać jako prędkość przelotową - ten punkt, w którym nie przyspieszasz ani nie zwalniasz, po prostu podróżujesz szczęśliwie.

Cała ta mowa o fizyce nie byłaby zbyt wielka, gdyby nie sposób, w jaki Twój samochód wykorzystuje siłę z silnika do napędzania ciężarówki w dół drogi. Robi to poprzez produkcję moment obrotowy, czyli energia, która obraca koło wokół jego osi. Przyłożona siła wytwarzana przez silnik jest przenoszona na koła ciężarówki przez przekładnię, która obraca wał napędowy i rozdziela moment obrotowy na koła.

Moment obrotowy różni się od energii potrzebnej do przesunięcia czegoś w płaszczyźnie poziomej. Pomyśl o tym w ten sposób: powiedzmy, że masz jedną czwartą stojącą na jego krawędzi, którą zamierzasz potoczyć w dół korytarza. Możesz popchnąć krawędź palcem ruchem z góry do dołu, aby przesunąć ją do przodu, lub ruchem z dołu do góry, aby przetoczyć się do tyłu. Właśnie przyłożyłeś moment obrotowy. Teraz spróbuj przesunąć ćwierć do przodu bez przewracania go. Nie działa zbyt dobrze, prawda? Ćwiartka po prostu ślizga się po powierzchni, co utrudnia kontrolę - niezbyt efektywny sposób poruszania się. Oto wyzwanie, przed którym staje Twój samochód ciężarowy za każdym razem, gdy jedziesz: jazda do przodu bez poślizgu.

Wydaje się to dość proste; wciskasz pedał gazu, a silnik przekazuje moment obrotowy na wał napędowy, który obraca oś i z kolei 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). Chcesz, aby Twoja opona nigdy nie opuszczała drogi.

Brzmi to trochę dziwnie, ale kiedy Twoja ciężarówka jedzie prawidłowo, dolna część opony - dosłownie tam, gdzie guma styka się z drogą - pozostaje w spoczynku. To, co stanowi spód opony, zmienia się, ponieważ wszystkie punkty na bieżniku mają szansę służyć jako spód opony, gdy wykonuje ona pełny obrót. Podobnie położenie spodu opony w stosunku do drogi. Ale jeśli chodzi o grawitację i normalną siłę, spód opony pozostaje w spoczynku, ponieważ nigdy nie opuszcza drogi.

Więc co to wszystko ma wspólnego z holowaniem? Dużo. Na następnej stronie zobaczysz, co mamy na myśli.

Tak długo, jak ciężar jest równomiernie rozłożony, ta ciężarówka powinna być w stanie holować ponad dwukrotnie większą masę. Alexander Hafemann / iStockPhoto

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

Jeśli masz napęd na wszystkie koła, wszystkie cztery opony są podłączone do wałów napędowych i otrzymują w ten sposób moment obrotowy, który je napędza. Jeśli masz tylko napęd na tylne lub przednie koła, nie bój się: moment obrotowy przenoszony na koła napędowe spowoduje również ruch kół, które są używane podczas jazdy. Ponieważ są połączone z ciężarówką, te koła będą się poruszać, gdy zaczną się koła napędowe. Ciężar powinien być równomiernie rozłożony na ciężarówce, co oznacza, że ​​każde koło - niezależnie od tego, czy jest połączone z wałem napędowym, czy nie - stoi przed równym wyzwaniem.

Ponieważ opony znajdują się w miejscu, gdzie guma styka się z drogą - a dokładniej w miejscu, w którym siła grawitacji działająca w dół na ciężarówkę spotyka się z normalną siłą działającą na nią w górę - to tutaj rozkłada się ciężar. Jeśli ciężar rozkłada się równomiernie, wówczas siła, na którą napotyka, jest również rozłożona równomiernie, ponieważ siła normalna jest proporcjonalna do masy ciężarówki. Oznacza to, że normalna siła, z jaką działa każda opona, to około jednej czwartej masy ciężarówki. Ten równy rozkład sił prowadzi do takiej samej ilości statycznej, a następnie kinetycznej siły, na którą każda opona napotyka podczas przemieszczania się od pozycji spoczynkowej do przyspieszenia i ostatecznie stałej prędkości. Zatem moment obrotowy wystarczający do poruszenia jednym kołem poruszy je wszystkie. Jeśli ciężar ciężarówki nie jest równomiernie rozłożony, opony o niższej masie ślizgają się lub ślizgają, gdy moment obrotowy, który otrzymują, pokonuje, a nie równa się tarciu tocznemu, jakie napotyka na drodze.

Jest to tak samo prawdziwe w przypadku czterech opon ciężarówki, jak w przypadku dwóch lub czterech dodatkowych opon, które dodasz podczas holowania przyczepy. Dzieje się tak, ponieważ zgodnie z prawami fizyki, kiedy przyczepa jest podłączona do ciężarówki, uważa się ją za jedną jednostkę. Masa ciężarówki i przyczepy mają wspólną masę. Oznacza to, że rozkład masy pozostaje ważny. Jeśli jest prawidłowo rozłożony, opony - niezależnie od tego, czy jest ich cztery, sześć, osiem czy 50 - będą miały takie samo tarcie, gdy przekraczają próg i przyspieszają.

Jak więc ciężarówka o wadze 5000 funtów może holować ładunek o masie 10000 funtów? Krótka odpowiedź brzmi, że nie może, chyba że ma odpowiedni rodzaj zaczepu. Jeśli zajrzysz do instrukcji obsługi ciężarówki, zobaczysz, że Twoja ciężarówka ma dwa uciągi - jedną dla masy własnej, a drugą dla masy holowanej. Zauważysz również, że limit masy własnej jest mniej więcej taki sam, jak ciężar Twojej ciężarówki, podczas gdy dopuszczalna masa holowana jest około trzykrotnie wyższa. Powodem jest to, że udźwig holowany wymaga specjalnego zaczepu, który - jak się domyślacie - 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 podróżuje bez obciążeń. Ale jeśli ciężar jest właściwie rozłożony zarówno w przyczepie, jak i w pojeździe autokarowym, tarcie statyczne dla każdej opony będzie równe. Niezależnie od tego, czy jest to ciężarówka ważąca 5000 funtów, która porusza się po drodze, czy taka, która holuje ładunek 10000 funtów, o ile silnik może wytworzyć wystarczający moment obrotowy, aby obrócić koła napędowe bez pokonywania tarcia tocznego na drodze, wszystkie inne koła będą podążać.

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

Dziękuję Ci

Specjalne podziękowania dla dr. Williama Skocpola i dr. Craiga Freudenricha. za pomoc w tym artykule!

Powiązane artykuły

• Jak działają systemy dystrybucji ciężaru holowanego
• Jak działa waga języka
• 10 wskazówek dotyczących holowania
• Jak to źle, jeśli holuję więcej niż uciąg mojej ciężarówki?
• Czy holowanie przyczepy spowoduje uszkodzenie mojego pojazdu?
• Jak działają prawa dynamiki Newtona

Więcej świetnych linków

• Wskazówki i terminologia dotycząca bezpiecznego holowania
• Boston University Physics
• Definicje i oceny masy holowanej

Źródła

• Skocpol, William, PhD. Profesor fizyki na Boston University. Korespondencja osobista. 31 października 2008.
• Townsend, Ben. „Tarcie statyczne i kinetyczne”. Uniwersytet Alaski, Fairbanks. Jesień 2002. http://ffden-2.phys.uaf.edu/211_fall2002.web.dir/Ben_Townsend/StaticandKineticFriction.htm