Zvažte případ zrychlujícího se motocyklu, motor převádí potenciální energii na energii mechanickou, která se používá k vytvoření Newtonova třetího páru sil na zadní pneumatiku Kontaktní plocha, zpětná síla vyvíjená z kontaktní plochy na řev, koexistující s přední silou působící silnicí na kontaktní plochu. Pro zjednodušení předpokládejme, že v procesu nedojde k žádným ztrátám, žádnému odporu, valivému odporu atd., takže jakékoli snížení PE (chemická potenciální energie paliva / baterie) skončí jako zvýšení KE (kinetická energie).
„Abstraktním“ objektem je v tomto případě kontakt plocha zadní pneumatiky. Ačkoli nedochází k žádnému relativnímu pohybu mezi povrchem pneumatiky a vozovkou na kontaktní ploše (statické tření), kontaktní plocha sama se pohybuje stejnou rychlostí jako motocykl (ignoruje deformace související se zatížením). To lze snáze vizualizovat, pokud použijete střed oblasti kontaktní plochy jako okamžitá poloha kontaktní plochy.
Silnice nemůže generovat energii, ale místo působení síly, kterou silnice působí na kontaktní plochu, se pohybuje stejnou rychlostí jako motocykl. Síla by tedy mohla být vyjádřena jako síla vyvíjená silnicí krát rychlost místa působení této síly, kontaktní plocha, která je stejná jako rychlost motocyklu (za předpokladu rovné silnice).
Silnice také nemůže „vykonávat práci, ale integrální součet síly (v závislosti na poloze kontaktní plochy) krát vzdálenosti, kterou se kontaktní plocha pohybuje, lze použít k výpočtu provedené„ práce “, která pochází z motoru.
Přehodnotil jsem to. Síla = síla vyvíjená na motocykl · rychlost motocyklu. Skutečnost, že se silnice nepohybuje, neovlivní schopnost silnice vyvinout sílu na pohybující se motocykl , protože působí silou na kontaktní plochu pneumatiky, kde se běhoun nepohybuje vzhledem k vozovce, ale pohybuje se s negativem rychlosti motocyklu vzhledem k motocyklu. V důsledku valivého pohybu a točivého momentu z motoru přenáší pneumatika a kolo motocyklu sílu ze silnice na zadní kolo Osa el se stejnou silou ze silnice a rychlostí motocyklu. Silnici lze považovat za součást posloupnosti přenosu energie, která využívá sílu motoru ke zrychlení motocyklu.
V tomto případě je rychlost kontaktní plochy stejná jako rychlost motocyklu, ale vezměte v úvahu, že buben je úhlově zrychlen rotující pneumatikou, v tomto případě se kontaktní plocha nepohybuje, ale povrch bubnu je. kabel v místě dotyku je lineární. V tomto případě se kontaktní plocha nepohybuje a síla = síla vyvíjená na kabel · rychlost kabelu.
Skutečnost, že se povrch pneumatiky nepohybuje vzhledem k silnice na kontaktní ploše je důvodem, proč nepohybující se silnice může použít sílu na pohybující se motocykl.
Takže to, co označuji jako abstraktní objekt, je jen způsob odkazu na něco, co se pohybuje stejnou rychlostí jako objekt, na který působí síla, a byl to můj pokus vypořádat se s rolli Pohyb zadní pneumatiky v případě motocyklu.
Místo působení síly působící na kontaktní plochu má důsledky, jako je například wheelie, je-li zrychlení dostatečné.
Z hlediska přísné fyziky převádí rozhraní mezi pneumatikou a vozovkou úhlovou sílu (točivý moment krát úhlová rychlost) na lineární výkon (síla x lineární rychlost), takže se nedělá žádná čistá práce. Je však běžnou praxí uvádět, jaký je výkon zadního kola pro motocykl, a to lze vypočítat jako síla krát rychlost. To lze provést pomocí dynamometru podvozku, ale je také možné určit sílu pomocí snímačů točivého momentu (převodníků), což umožňuje zjistit výkon zadního kola v reálném čase během jízdy, a někteří jezdci si kupují vybavení, které zahrnuje snímače točivého momentu a záznam dat pro jejich (závodní) dráhová kola.
Komentáře
- Na pneumatiky se napájí síla a platí tření pneumatik na silnici, které napájení do auta. Při použití výkonových rovnic buďte opatrní, který objekt vyberete.
- Jste si jisti, že se kontaktní plocha pohybuje relativně k silnici? jeho rychlost je nulová ve spodní části pneumatiky a dvojnásobná rychlost v horní části.
- Co tím myslíte „, takže jakýkoli pokles PE (potenciál energie) končí jako zvýšení KE (kinetická energie) „. Běží váš motocykl z kopce nebo tak něco?Pokud běží na rovném povrchu, nedochází ke změně potenciální energie, tak co je ‚? Mluvíte o chemické potenciální energii paliva?
- @Wolphramjonny – To se liší od bodu na nejvzdálenější části pneumatiky, který se pohybuje v cykloidním vzoru. ‚ používám výraz “ kontaktní patch “ používaný lidmi s dynamikou pneumatik , kontaktní plocha se pohybuje s vozidlem a běhoun i silnice “ proudí “ kontaktní plochou.
- @BobD – motor získává potenciální energii z paliva, které spotřebuje, nebo je-li to ‚ elektrický motocykl, získává potenciální energii z baterie. Pod pojmem žádné ztráty nemám na mysli to, že PE + KE = konstantní.
Odpověď
Točivý moment působící na kolo způsobené motorem způsobuje zpětnou sílu na povrchu vozovky. Podle třetího Newtonova zákona zpětná síla na silnici způsobí stejnou sílu působící dopředu na pneumatiku po silnici, v místě, které nazýváte „kontaktní plocha“. Tato dopředu působící síla je způsobena statickým třením mezi pneumatikou a silnici. Bude se i nadále rovnat zpětné síle, dokud nebude překročena maximální statická třecí síla $ μ_ {s} N $ , v takovém případě bude pneumatika prokluz. Pro maximální statickou třecí sílu $ μ_s $ je koeficient statického tření mezi pneumatikou a vozovkou a $ N $ je normální síla působící na hnací kolo v důsledku té části hmotnosti motocyklů, která působí na hnací kolo.
Za předpokladu, že nedojde k odporu, valivému odporu nebo jiným vnějším vlivům (vůči automobilu) ) síly působící na motocykl, pak je statická třecí síla jedinou vnější silou působící na motocykl, a je tedy přímo odpovědná za pohon to vpřed. Silnice ve skutečnosti pracuje na tom, aby ho auto pohánělo vpřed.
Tuto skutečnost je poněkud obtížné pochopit, protože silnice zjevně není zdrojem energie. Zdrojem je motor, který vytváří zpětnou sílu na silnici, což zase vytváří dopřednou statickou třecí sílu, která je odpovědná za provádění práce. Energie tedy pochází ze systému přenosu energie, který přenáší energii ze zdroje (paliva v motoru) do automobilu na základě řady interakcí, které nakonec končí jako statická třecí síla silnice působící na auto.
Doufám, že to pomůže.
Komentáře
- K mé otázce jsem přidal sekci pro nové přemýšlení. Silnice se nepohybuje, ale je ‚ schopna vyvinout sílu na pohybující se motocykl v důsledku valivého pohybu (statické tření) ) poháněné zadní pneumatiky.
- Myslím, že dobrým způsobem, jak vyjádřit, že by silnice byla součástí systému pohonu přenosu automobilu, i když žádný ve skutečnosti poskytované silnicí; stejně jako přenosové prvky ve vozidle ve skutečnosti neposkytují žádnou energii; jen pomáhají přesouvat (přenášet) energii přes systém tam, kde to vlastně chceme
- @JMac Líbí se mi trochu upravený návrh. Viz moje revize.
- Tato odpověď není správná. Energie automobilu se nezvyšuje, proto se v autě nepracuje. Práce je přenos energie, žádná energie se nepřenáší, proto se žádná práce neprovádí.
- @Dale Hodnota PE, na kterou OP odkazuje, je chemická potenciální energie paliva motoru. Nejedná se o mechanický PE (např. Gravitační PE), proto zachování mechanické energie, PE + KE zde neplatí. Motocykl zrychluje. Získává KE. Práce je hotová. Jedinou vnější silou působící na cyklus v dopředném směru, která způsobuje zrychlení cyklu, je síla statického tření. Dělá to. Energie nakonec pochází z paliva. Nevidím nic, co OP uvádí, že energie motocyklu se nezmění ‚ t. Poznámka: viz OP úprava o přehodnocení situace.
Odpověď
Síla je definována jako: rychlost na která práce se provádí nebo rychlost, při které se energie přenáší z jednoho místa na druhé nebo se transformuje z jednoho typu na jiný. https://physics.info/power/
„míra práce“ je dána vzorcem $ P = \ vec F \ cdot \ vec v $ , kde $ \ vec v $ je rychlost materiál v místě aplikace síly. V příkladu bezztrátového motocyklu je bodem působení síly spodní část pneumatiky, která má $ \ vec v = 0 $ .
Jedná se však právě o tento bod.Je správná rychlost pro výpočet výkonu rovna rychlosti materiálu na kontaktní ploše nebo se rovná rychlosti kontaktní plochy? Abychom to vyřešili, podíváme se na ostatní části definice, abychom zjistili, zda je jedna interpretace $ \ vec v $ konzistentnější se zbytkem definice než jiný.
„rychlost přenosu energie z jednoho místa na druhé“. Kvůli zachování energie, pokud by se energie přenášela na kontaktní ploše, energie automobilu by se změnila. Jelikož se energie vozu nemění, je jasné, že rychlost přenosu energie přes kontaktní plochu je nulová. Podle této části definice je tedy síla nulová. To je v souladu s $ \ vec v $ představující rychlost materiálu na kontaktní ploše, ale v rozporu s $ \ vec v $ představující rychlost kontaktní náplasti.
Existují pasivní zařízení, která přenášejí energii z jednoho místa do druhého, jako jsou hřídele, lana, ozubená kola a páky. Ve všech takových zařízeních je však na zařízení jedno místo, kde se provádí kladné $ P $ , a jiné, kde (v ideálním případě) stejné množství záporného $ P $ je hotovo. To neplatí pro kontaktní opravu.
„nebo transformována z jednoho typu na jiný“. Na typické kontaktní ploše je jediná transformace energie z mechanické na tepelnou. Předpokladem je v tomto případě nula. V tomto problému je jediná transformace energie v motoru, kde se energie transformuje z potenciálu na mechanickou. Proto má smysl hovořit o výkonu motoru i přes stálost celkové energie vozidla. Ale na kontaktní ploše je jakákoli energie mechanická a zůstává mechanická. Tato část definice je tedy také v souladu s $ \ vec v $ představujícími rychlost materiálu na kontaktní ploše, ale není v souladu s $ \ vec v $ představující rychlost kontaktního pole.
Proto obě ostatní části definice výkonu naznačují, že výkon poskytovaný kontaktním políčkem je nulový . To odpovídá definici, že $ \ vec v $ je rychlost materiálu na kontaktní ploše.
Důvodem, proč tato otázka podvádí tolik lidí, je to, že síla ze silnice mění hybnost motocyklu. Je však důležité vědět, že hybnost a energie jsou odlišné pojmy. Jsou příbuzní, ale ne stejní. Síla je rychlost změny hybnosti, nikoli rychlost změny energie. Proto je možné, aby síla změnila hybnost objektu beze změny jeho energie. Toto je jeden příklad, i když existuje mnoho dalších podobných příkladů.
Nakonec se mechanická síla přenášená silou $ P = \ vec F \ cdot \ vec v $ vždy vypočítá pomocí rychlosti materiál, na který působí síla, což je pro příklad motocyklu nula.
Komentáře
- Všimněte si, že jsem svou otázku aktualizoval přidanou oddělenou částí, abych si všiml dilema termínu “ kontaktní patch „, protože odkazuje na rozhraní mezi dvěma objekty a “ kontaktní patch “ se může, ale nemusí hýbat. “ kontaktní patch “ má rychlost pouze v případě, že pneumatika, na kterou odkazuje, má také rychlost, takže je specifická pro danou situaci.
- Ze stejné logiky se neprovádí žádná práce $ W = \ vec F \ cdot \ vec s $? Pokud není provedena žádná práce, pak to, co je zodpovědné za nárůst KE motorů při jeho zrychlování (v situaci nulové ztráty je PE + KE = konstantní, takže pokles PE odpovídá nárůstu KE: ΔPE + ΔKE = 0)?
- Rychlost kontaktní plochy není relevantní, záleží pouze na rychlosti materiálu na kontaktní ploše. Protože $ W = \ int P \ dt $, pokud $ P = 0 $, pak $ W = 0 $. Podrobnosti najdete v physicsforums.com/threads/…
- @Dale Líbí se mi váš argument , ale považuji za zajímavé, že zisk KE automobilu lze jistě vypočítat z $ $$ \ Delta E_k = \ text {třecí síla} \ krát \ text {vzdálenost posunutá kontaktem}, $$ jinými slovy z co by se dalo nazvat pseudo-dílo.
- @Dale Tvrdím, že energie se odráží od hranice systému, což je přímá interakce s ní. Silnice nezmění ‚ čistou energii v autě, ale přímo usnadňuje přenos energie z otáčení kol na lineární kinetickou energii automobilu.