Jak může vůz s nákladem 5 000 liber tahat 10 000 liber?

Počkejte, není to vzdorující fyzika? Ani náhodou. Tim McCaig / iStockPhoto

Už jste někdy v úžasu sledovali, jak pickup tahá obrovské množství cihel? Pokud jste si mysleli: „Páni, odporuje fyzickým zákonům!“ mýlil by ses.

Věřte tomu nebo ne, fyzikální zákony (nebo přesněji zákony pohybu) ve skutečnosti umožňují nákladnímu automobilu o hmotnosti 5 000 liber (2 268 kilogramů) tahat náklad s hmotností 10 500 liber (4 536 kg). Je to součást souhry mezi energií vyvíjenou motorem vozíku a gravitačními silami. Toto není žádný malý čin; pokud si vzpomenete na Newtonův třetí zákon pohybu, víte, že od chvíle, kdy se váš vůz začne pohybovat, existují síly, které mu brání každý krok na cestě.

Pokud rozumíte fyzice jízdy, rozumíte fyzice vlečení. Ve skutečnosti existuje poměrně jednoduchý způsob, jak se podívat na tento proces.

Existují tři stavy, do kterých může vaše vozidlo vstoupit, pokud jde o řízení a tažení: klid, zrychlení a konstantní rychlost. Když je přenos vašeho vozu v parku a váš vozík je nehybný, považuje se to za klid. Gravitační tlak dolů směrem do středu země a vzestupný tlak ze země (nazývaný normální síla) proti sobě, aby váš vůz zůstal v klidu. Váš vůz zůstane v klidu - konec konců, předmět v klidu má sklon zůstat v klidu.

Ale nechcete odpočívat, chcete táhnout. To znamená, že musíte překonat tuto tendenci k odpočinku aplikovaná síla. Naštěstí pro vás má váš vůz motor, který dokáže produkovat energii, která slouží jako vynaložená síla potřebná k tomu, abyste se pohybovali. Zatímco protichůdné normální a gravitační síly stále přetrvávají, pro urychlení budete muset vypořádat se silami tření. Spíše než nahoru a dolů tyto síly existují rovnoběžně se zemí a tlačí opačným směrem, než jakým se chcete pohybovat. Fyziku si nemůžete nechat uchopit, že ano?

Zatím s námi? Dobrý. Čtěte dál a dozvíte se více o fyzice tažení.

Vem to, chlapi. Zde se vytváří točivý moment. Hill Street Studios / Getty Images

Při řízení vašeho kamionu působí proti vám dva druhy třecích sil. Statické tření je tření, s nímž se vaše pneumatiky setkají, než dosáhnou práh pohybu. Jakmile se vaše kola začnou pohybovat, práh pohybu byl překročen a vaše pneumatiky se nyní musí vypořádat kinetické tření -- nebo v případě kola, valivé tření. Pro urychlení musí být statické tření překonáno působením síly, ale není tomu tak u valivého tření. Místo toho je cílem zrychlit, až se aplikovaná síla rovná množství valivého tření působícího na pneumatiky. Jakmile množství aplikované síly odpovídá velikosti valivého tření, dosáhli jste bodu konstantní rychlosti. Možná to víte jako cestovní rychlost - to je místo, kde se nezrychlujete ani nezpomalujete, jen šťastně cestujete.

Celá tato diskuse o fyzice by se příliš nepodobala, pokud by to nebylo o způsobu, jakým vaše auto používá sílu motoru k pohonu vašeho vozu po silnici. Dělá to tím, že produkuje točivý moment, což je energie, která otáčí kolem své osy. Síla vyvinutá vaším motorem je rozložena na kola vašeho vozu prostřednictvím převodovky, která otáčí hnací hřídelí a rozděluje točivý moment na kola.

Krouticí moment se liší od energie, kterou potřebuje k pohybu něčeho po vodorovné rovině. Přemýšlejte o tom takto: Řekněme, že na jejím okraji stojí čtvrtina, kterou hodláte svrhnout po chodbě. Můžete prstem tlačit na hranu pohybem shora dolů a pohybovat se dopředu nebo pohybem zdola nahoru, aby se pohyboval dozadu. Právě jste použili točivý moment. Nyní zkuste posunout čtvrť dopředu, aniž byste ji roztočili. Funguje to velmi dobře, že? Čtvrtina pouze sklouzne po povrchu, což ztěžuje ovládání - není to příliš efektivní způsob, jak se pohybovat. To je výzva, která je představena vašemu kamionu pokaždé, když jedete: pohyb vpřed bez smyku.

Je to dost jednoduché; zatlačíte na plynový pedál a motor rozdělí točivý moment na hnací hřídel, která otáčí nápravu a následně na kola. Pokud ale motor vytvoří příliš velký točivý moment, vaše pneumatiky překonají valivé tření, se kterým se setkávají ze silnice, a zbytečně se klouže (a možná nebezpečně). Chcete, aby vaše pneumatika nikdy neopustila silnici.

Zní to trochu podivně, ale když váš vůz jede správně, spodní část pneumatiky - v poslední době, kde se guma setká s vozovkou - zůstává v klidu. To, co tvoří spodní část pneumatik, se mění, protože všechny body na běhounu mají příležitost sloužit jako spodní část pneumatiky, když dokončí úplnou rotaci. Stejně tak umístění spodku pneumatiky ve vztahu k silnici. Ale pokud jde o gravitaci a normální sílu, spodní část pneumatiky je v klidu, protože nikdy neopouští silnici.

Co to sakra má všechno společného s tažením? Spousta. Na následující stránce uvidíte, co máme na mysli.

Pokud je hmotnost rovnoměrně rozložena, mělo by být toto vozidlo schopno odtáhnout více než dvojnásobek své vlastní hmotnosti. Alexander Hafemann / iStockPhoto

-Vše, co jste se právě dozvěděli o tom, jak fyzika udržuje hladký pohyb vašeho vozu, lze extrapolovat na tažení.

Pokud máte pohon všech kol, všechny čtyři pneumatiky jsou spojeny s hnacími hřídeli, a proto dostávají krouticí moment, aby je mohly pohnout. Pokud máte pouze pohon zadních kol nebo předních kol, nemusíte se obávat: Krouticí moment rozložený na vaše hnací kola způsobí, že se budou pohybovat také kola, která jsou podél pro jízdu. Protože jsou připojena k vašemu vozu, tato kola se budou pohybovat, jakmile začnou hnací kola. Hmotnost by měla být rovnoměrně rozložena na kamionu, což znamená, že každé kolo - ať už je připojeno k hnací hřídeli nebo ne - čelí stejné výzvě..

Protože vaše pneumatiky jsou tam, kde se guma setkává s vozovkou - nebo spíše v místě, kde gravitační síla tlačená směrem dolů na vaše vozidlo splňuje normální sílu tlačenou směrem proti ní - zde je rozložena hmotnost. Pokud je hmotnost rozložena rovnoměrně, pak je rovnoměrně rozložena i normální síla, se kterou narazí, protože normální síla je úměrná hmotnosti vašeho vozu. To znamená, že normální síla, se kterou se každá pneumatika setká, je asi čtvrtina hmotnosti vašeho vozu. Toto rovnoměrné rozložení síly vede ke stejnému množství statické a pak kinetické síly, se kterou se každá pneumatika setká, když se pohybuje z klidové polohy do zrychlení a konečně konstantní rychlosti. Krouticí moment, který je dostačující k pohybu jednoho kola, tak všechny pohne. Pokud není hmotnost vašeho nákladního vozidla rovnoměrně rozložena, pak pneumatiky podporující menší hmotnost se sklouznou nebo sklouznou, protože točivý moment, který dostanou, překoná namísto rovná se valivému tření, se kterým se setkává ze silnice.

To platí stejně jako u čtyř pneumatik v nákladním automobilu, jako u dvou nebo čtyř dalších pneumatik, které přidáte při tažení přívěsu. Je to proto, že pokud jde o fyzikální zákony, když je přívěs připojen k vašemu vozu, považuje se to za jednu jednotku. Hmotnost nákladního automobilu a hmotnost přívěsu mají společnou hmotnost. To znamená, že rozdělení hmotnosti zůstává důležité. Pokud je pneumatika správně rozložena, pneumatiky - ať už jsou čtyři, šest, osm nebo 50 - budou čelit stejnému množství tření, když překročí práh a akcelerují.

Jak tedy může nákladní vůz s nákladem 5 000 liber odtáhnout náklad s nákladem 10 000 liber? Krátká odpověď zní, že to nemůže, pokud nemá správný druh závěsu. Pokud si prostudujete návod k obsluze vašeho vozíku, uvidíte, že má váš vůz dvě tažné kapacity - jednu pro mrtvou hmotnost a druhou pro taženou hmotnost. Také si všimnete, že limit mrtvé hmotnosti je přibližně stejný jako u vašeho nákladního automobilu, zatímco kapacita vlečné hmotnosti je přibližně třikrát vyšší. Důvod je ten, že kapacity tažné hmotnosti vyžadují speciální závěs, který - jak jste uhodli - rozděluje hmotnost přívěsu mezi kola přívěsu a nákladního automobilu.

-Přidaná hmotnost přívěsu vyžaduje, aby motor vozu vozu pracoval tvrději, aby vytvořil větší točivý moment, než je vyžadováno, když vůz jede nezatížený. Pokud je však hmotnost správně rozložena uvnitř přívěsu i vozu vozu, statické tření pro každou pneumatiku bude stejné. Takže ať už se jedná o kamion vážící 5 000 liber pohybující se po silnici, nebo ten, který táhne náklad 10 000 liber, pokud motor dokáže vytvořit dostatečný točivý moment pro otáčení hnacích kol, aniž by překonal valivé tření na silnici, všechna ostatní kola budou následovat.

Další informace o odtahování a dalších souvisejících tématech naleznete na následující stránce.

Děkuju

Zvláštní poděkování Dr. Williamovi Skocpolu a Craigovi Freudenrichovi, Ph.D. za pomoc s tímto článkem!

Související články

• Jak fungují systémy rozložení hmotnosti vlečení
• Jak funguje hmotnost jazyka?
• 10 tipů pro tažení
• Jak špatné je, když tahám více, než je kapacita tažného vozidla?
• Tažením přívěsu dojde k poškození mého vozidla?
• Jak Newtonovy zákony pohybu fungují

Další skvělé odkazy

• Tipy pro bezpečné odtahování a terminologie
• Boston University Physics
• Definice a hodnocení tažné hmotnosti

Prameny

• Skocpol, William, PhD. Profesor fyziky, Bostonská univerzita. Osobní korespondence. 31. října 2008.
• Townsend, Ben. "Statické a kinetické tření." Univerzita na Aljašce, Fairbanks. Pád 2002. http://ffden-2.phys.uaf.edu/211_fall2002.web.dir/Ben_Townsend/StaticandKineticFriction.htm