Overvej tilfældet med en accelererende motorcykel, motoren omdanner potentiel energi til mekanisk energi, der bruges til at generere et Newton tredje lovpar af kræfter på baghjulet “s kontaktplaster, en bagudgående kraft, der udøves fra kontaktplasteret på brølet, der eksisterer sammen med en fremadgående kraft, der udøves af vejen på kontaktplasteret. For at forenkle tingene antager du, at der ikke er tab i processen, ingen træk, ingen rullemodstand osv., således at ethvert fald i brændstof / batteriets kemiske potentielle energi) ender som en stigning i KE (kinetisk energi).
Det “abstrakte” objekt i dette tilfælde er kontakten Selvom der ikke er nogen relativ bevægelse mellem dækkets overflade og vejen ved kontaktplasteret (statisk friktion), bevæger selve kontaktfladen sig med samme hastighed som motorcyklen (ignorerer belastningsrelaterede deformationer). Dette er lettere at visualisere, hvis du bruger midten af området for kontaktplasteret som kontaktplasterets øjeblikkelige position.
Vejen kan ikke generere kraft, men anvendelsespunktet for den kraft, som vejen udøver på kontaktplasteret, bevæger sig med samme hastighed som motorcyklen. Så kraft kunne angives som den kraft, der udøves af vejen, gange hastigheden af anvendelsespunktet for denne kraft, kontaktplasteret, som er den samme som motorcykelens hastighed (forudsat en flad vej).
Vejen kan også ikke udføre arbejde, men den integrerede sum af kraft (kontra position af kontaktplaster) gange afstand kontaktplasteret bevæger sig, kan bruges til at beregne det “arbejde” udført, der stammer fra motoren.
Jeg tænkte over dette igen. Kraft = kraft, der udøves på motorcykel · motorcykelens hastighed. Det faktum, at vejen ikke bevæger sig, påvirker ikke vejens evne til at udøve en kraft på den bevægelige motorcykel , fordi det påfører dækkets kontaktplaster, hvor slidbanen ikke bevæger sig i forhold til vejen, men bevæger sig med det negative af motorcyklernes hastighed i forhold til motorcyklen. På grund af rullende bevægelse og drejningsmoment fra motoren overfører motorcykelens dæk og hjul kraften fra vejen til den bageste whe el-aksen med den samme kraft fra vejen og ved motorcykelens hastighed. Vejen kan betragtes som en del af kraftoverførselssekvensen, der bruger motorens kraft til at fremskynde motorcyklen.
I dette tilfælde er kontaktplasterets hastighed den samme som motorcykelens hastighed, men overvej at en tromle accelereres vinkelret af et spindende dæk, i dette tilfælde bevæger kontaktfladen sig ikke, men overfladen på tromlen er. Tromlen kan udskiftes med et kabel, der løber mellem to spoler, så accelerationen af kablet ved kontaktpunktet er lineært. I dette tilfælde bevæger kontaktfladen sig ikke, og kraft = kraft, der udøves på kablet · kabelhastighed.
Det faktum, at dækfladen ikke bevæger sig mht. vejen ved kontaktplasteret er årsagen til, at en ikke-bevægelig vej kan anvende en kraft på en motorcykel i bevægelse.
Så hvad jeg kalder et abstrakt objekt er bare en måde at henvise til noget, der bevæger sig med samme hastighed som det objekt, som kraften påføres, og var mit forsøg på at håndtere rolli ng bevægelse af baghjulet i tilfælde af motorcykel.
Kraftudnyttelsespunktet ved kontaktplasteret har konsekvenser, såsom et hjul, hvis accelerationen er tilstrækkelig.
Fra et strengt fysiksynspunkt konverterer grænsefladen mellem dæk og vej vinkelmagt (moment gange vinkelhastighed) til lineær effekt (kraft x lineær hastighed), så der arbejdes ikke med netto. Det er dog almindelig praksis at angive, hvad baghjulets hestekræfter er for en motorcykel, og dette kan beregnes som kraft gange hastighed. Dette kan gøres ved hjælp af et chassisdynamometer, men det er også muligt at bestemme kraft gennem momentfølere (tranducers), så baghjulets hestekræfter kan bestemmes i realtid under kørsel, og nogle ryttere køber udstyret, der inkluderer momentfølere og dataoptagelse til deres (racer-) racercykler.
Kommentarer
- Der påføres strøm på dækkene, og friktionen af dækkene på vej gælder, at strøm til bilen. Vær forsigtig, hvilket objekt du vælger, når du bruger effektligninger.
- er du sikker på, at kontaktplasteret bevæger sig i forhold til vejen? dens hastighed er nul i bunden af dækket og to gange hastigheden øverst
- Hvad mener du med ” så ethvert fald i PE (potentielt energi) ender som en stigning i KE (kinetisk energi) “. Kører din motorcykel ned ad en bakke eller noget?Hvis den kører på en plan overflade, er der ingen ændring i potentiel energi, så hvad ‘ er der? Taler du om brændstoffets kemiske potentielle energi?
- @Wolphramjonny – Dette er anderledes end et punkt i den yderste del af et dæk, der bevæger sig i et cykloidmønster. Jeg ‘ m bruger udtrykket ” kontaktplaster ” som brugt af dækdynamikfolk , kontaktplasteret bevæger sig med køretøjet, og både slidbanen og vejen ” flyder ” gennem kontaktplasteret.
- @BobD – motoren udvinder potentiel energi fra det brændstof, den bruger, eller hvis den ‘ er en elektrisk motorcykel, udvinder motoren potentiel energi fra et batteri. Med intet tab mener jeg, at PE + KE = konstant.
Svar
Drejningsmomentet på hjulet forårsager en baglæns kraft på vejoverfladen ved hjælp af motoren. Per Newtons tredje lov forårsager den bagudgående kraft på vejen en lige så stor kraft, der virker fremad på vejen, på det sted, du kalder “kontaktplasteret”. Denne fremadvirkende kraft skyldes statisk friktion mellem dækket og vej. Det vil fortsat være lig med den bagudgående kraft, så længe den maksimale statiske friktionskraft på $ μ_ {s} N $ ikke overskrides, i hvilket tilfælde dækket slip. For den maksimale statiske friktionskraft $ μ_s $ er koefficienten for statisk friktion mellem dækket og vejen og $ N $ er den normale kraft, der virker på drivhjulet på grund af den del af motorcyklens vægt, der virker ned på drivhjulet.
Forudsat at der ikke er træk, rullemodstand eller andet eksternt (til bilen ) kræfter, der virker på motorcyklen, så er den statiske friktionskraft den eneste eksterne kraft, der virker på motorcyklen og er derfor direkte ansvarlig for fremdrift det fremad. Vejen arbejder faktisk på bilen for at drive den fremad.
Denne kendsgerning er noget vanskelig at forstå, fordi vejen tydeligvis ikke er en energikilde. Kilden er den motor, der skaber den bagudgående kraft på vejen, som igen skaber den fremadgående statiske friktionskraft, der er ansvarlig for at udføre arbejdet. Så energien kommer fra kraftoverførselssystemet, der overfører energi fra kilden (brændstof i motoren) til bilen i kraft af en række interaktioner, der i sidste ende ender som den statiske friktionskraft på vejen, der virker på bilen.
Håber det hjælper.
Kommentarer
- Jeg tilføjede et nytænkningssektion til mit spørgsmål. Vejen bevæger sig ikke ‘, men den ‘ er i stand til at udøve en kraft på en bevægelig motorcykel på grund af rullende bevægelse (statisk friktion ) af det drevne baghjul.
- Jeg synes en god måde at formulere det på ville være, at vejen er en del af bilens kraft transmission -system, selvom der ikke er nogen strøm faktisk leveret af vejen; ligesom der faktisk ikke leveres strøm fra transmissionselementerne i bilen; de hjælper bare med at flytte (overføre) strømmen gennem systemet til det sted, hvor vi faktisk vil have det
- @JMac Jeg kan godt lide, at forslaget ændres lidt. Se min revision.
- Dette svar er ikke korrekt. Bilens energi stiger ikke, derfor udføres der ikke noget arbejde i bilen. Arbejde er en overførsel af energi, ingen energi overføres, derfor udføres der ikke noget arbejde.
- @Dale Den PE, der henvises til af OP, er motorens brændstofs kemiske potentielle energi. Det er ikke mekanisk PE (f.eks. Gravitationel PE), derfor bevares mekanisk energi, PE + KE gælder ikke her. Motorcyklen accelererer. Det vinder KE. Arbejdet er udført. Den eneste eksterne kraft, der virker på cyklussen i fremadgående retning, der får cyklen til at accelerere, er den statiske friktionskraft. Det gør arbejdet. Energien kommer i sidste ende fra brændstoffet. Jeg ser intet angivet af OPen, at motorcykelens energi ‘ ikke ændres. Bemærk: se OP-redigeringen om nytænkning af situationen.
Svar
Effekt defineres som: hastigheden ved hvilket arbejde der udføres eller med hvilken hastighed energi overføres fra et sted til et andet eller omdannes fra en type til en anden. https://physics.info/power/
“den hastighed, hvormed arbejdet udføres” er givet med formlen $ P = \ vec F \ cdot \ vec v $ hvor $ \ vec v $ er hastigheden på materiale ved kraftens anvendelse. I eksemplet med en tabsfri motorcykel er kraftens anvendelsespunkt bunden af dækket, som har $ \ vec v = 0 $ .
Det er imidlertid netop dette punkt, der er tale om.Er den korrekte hastighed til beregning af effekten lig med materialets hastighed ved kontaktplasteret, eller er den lig med hastigheden af kontaktplasteret? For at løse dette vil vi derfor se på de andre dele af definitionen for at se, om en fortolkning af $ \ vec v $ er mere konsistent med resten af definitionen end den anden.
“den hastighed, hvormed energi overføres fra et sted til et andet”. På grund af energibesparelsen, hvis energi blev overført ved kontaktplasteret, ville bilens energi ændre sig. Da bilens energi ikke ændres, er det klart, at den hastighed, hvormed energi overføres over kontaktplasteret, er nul. Så ved denne del af definitionen er effekten nul. Dette er i overensstemmelse med $ \ vec v $ , der repræsenterer materialets hastighed ved kontaktplasteret, men ikke i overensstemmelse med $ \ vec v $ repræsenterer hastigheden af kontaktplasteret.
Der findes passive enheder, der transmitterer strøm fra et sted til et andet, såsom aksler, reb, gear og håndtag. Imidlertid er der i alle sådanne enheder en placering på enheden, hvor positiv $ P $ udføres, og en anden hvor en (ideelt) lige stor mængde negativ $ P $ er færdig. Dette er ikke tilfældet ved kontaktopdateringen.
“eller omdannet fra en type til en anden”. Ved en typisk kontaktplaster er den eneste transformation af energi fra mekanisk energi til termisk energi. Under antagelse er det nul i dette tilfælde. I dette problem er den eneste transformation af energi i motoren, hvor energi omdannes fra potentiale til mekanisk. Det giver derfor mening at tale om motorens kraft på trods af, at køretøjets samlede energi er konstant. Men ved kontaktplasteret er enhver energi mekanisk og forbliver mekanisk. Så denne del af definitionen er også i overensstemmelse med $ \ vec v $ , der repræsenterer materialets hastighed ved kontaktplasteret, men inkonsekvent med $ \ vec v $ , der repræsenterer hastigheden af kontaktplasteret.
Derfor indikerer begge de andre dele af definitionen af effekt, at den effekt, der leveres af kontaktplasteret, er nul . Dette svarer til definitionen, at $ \ vec v $ er materialets hastighed ved kontaktplasteret.
Årsagen til, at dette spørgsmål lurer så mange mennesker, er fordi kraften fra vejen ændrer motorcykelens momentum. Det er dog vigtigt at vide, at momentum og energi er forskellige begreber. De er beslægtede, men ikke de samme. En kraft er hastigheden for ændring af momentum, ikke hastigheden for ændring af energi. Derfor er det muligt for en kraft at ændre et objekts momentum uden at ændre dets energi. Dette er et eksempel, selvom der er mange andre lignende eksempler.
Til sidst beregnes den mekaniske effekt, der overføres af en kraft $ P = \ vec F \ cdot \ vec v $ altid ved hjælp af hastigheden på materialet, hvor kraften påføres, hvilket er nul for motorcykeleksemplet.
Kommentarer
- Bemærk, at jeg opdaterede mit spørgsmål med den tilføjede adskilte sektion for at bemærke dilemmaet for udtrykket ” kontaktplaster ” da det refererer til grænsefladen mellem to objekter og ” kontaktplaster ” bevæger sig måske eller ikke. Et ” kontaktplaster ” har kun en hastighed, hvis det dæk, det refererer til, også har en hastighed, så det er situationsspecifikt.
- Er der heller ikke gjort noget arbejde med samme logik $ W = \ vec F \ cdot \ vec s $? Hvis der ikke udføres arbejde, hvad er der så ansvarlig for stigningen i motorcyklerne KE, når den accelererer (i en nultabssituation, PE + KE = konstant, så et fald i PE matches med en stigning i KE: ΔPE + ΔKE = 0)?
- Kontaktplasterets hastighed er ikke relevant, kun materialets hastighed ved kontaktplasteret betyder noget. Siden $ W = \ int P \ dt $ hvis $ P = 0 $ derefter $ W = 0 $. For detaljer se physicsforums.com/threads/…
- @Dale Jeg kan godt lide dit argument , men finder det interessant, at gevinsten ved KE for bilen helt sikkert kan beregnes $ beregnet ud fra $ $$ \ Delta E_k = \ text {friktionskraft} \ gange \ tekst {afstand flyttet af kontaktplaster}, $$ med andre ord fra hvad man kan kalde pseudo-arbejde.
- @Dale Jeg vil hævde, at energien reflekteres fra systemgrænsen, hvilket er en direkte interaktion med den. Vejen ændrer ‘ ikke nettoenergien i bilen, men det letter direkte energioverførslen fra hjulets rotation til den lineære kinetiske energi i bilen.