Considere el caso de una motocicleta que acelera, el motor convierte la energía potencial en energía mecánica que se utiliza para generar un par de fuerzas de la tercera ley de Newton en el neumático trasero El parche de contacto, una fuerza hacia atrás ejercida desde el parche de contacto sobre el rugido, coexistiendo con una fuerza hacia adelante ejercida por la carretera sobre el parche de contacto. Para simplificar las cosas, suponga que no hay pérdidas en el proceso, ni arrastre, ni resistencia a la rodadura. , etc., de modo que cualquier disminución de PE (energía potencial química del combustible / batería) termina como un aumento de KE (energía cinética).
El objeto «abstracto» en este caso es el contacto parche del neumático trasero. Aunque no hay movimiento relativo entre la superficie del neumático y la carretera en el parche de contacto (fricción estática), el parche de contacto se mueve a la misma velocidad que la motocicleta (ignorando las deformaciones relacionadas con la carga). Esto es más fácil de visualizar si usa el centro del área del parche de contacto como la posición instantánea de la zona de contacto.
La carretera no puede generar energía, pero el punto de aplicación de la fuerza que la carretera ejerce sobre la zona de contacto se mueve con la misma velocidad que la motocicleta. Entonces, la potencia podría expresarse como la fuerza ejercida por la carretera multiplicada por la velocidad del punto de aplicación de esa fuerza, la zona de contacto, que es la misma que la velocidad de la motocicleta (asumiendo una carretera plana).
La carretera tampoco puede realizar trabajo, pero la suma integral de la fuerza (frente a la posición del parche de contacto) multiplicada por la distancia que se mueve el parche de contacto, podría usarse para calcular el «trabajo» realizado que se originó en el motor.
Hice un replanteamiento de esto. Potencia = fuerza ejercida sobre la motocicleta · velocidad de la motocicleta. El hecho de que la carretera no se mueva no afecta la capacidad de la carretera para ejercer una fuerza sobre la motocicleta en movimiento , porque aplica la fuerza al parche de contacto del neumático, donde la banda de rodadura no se mueve con respecto a la carretera, sino que se mueve con la velocidad negativa de la motocicleta con respecto a la motocicleta. Debido al movimiento de balanceo y al par del motor, el neumático y la rueda de la motocicleta transmiten la fuerza de la carretera a la rueda trasera. el eje con la misma fuerza de la carretera y a la velocidad de la motocicleta. La carretera podría considerarse como parte de la secuencia de transmisión de potencia que utiliza la potencia del motor para acelerar la motocicleta.
En este caso, la velocidad del parche de contacto es la misma que la velocidad de la motocicleta, pero considere un tambor acelerado angularmente por una llanta que gira, en este caso el parche de contacto no se mueve, pero la superficie del tambor sí. El tambor podría ser reemplazado con un cable que se enrolle entre dos carretes, de modo que la aceleración del el cable en el punto de contacto es lineal. En este caso, el parche de contacto no se mueve y potencia = fuerza ejercida sobre el cable · velocidad del cable.
El hecho de que la superficie del neumático no se mueva con respecto a la carretera en el parche de contacto es la razón por la que una carretera que no se mueve puede aplicar una fuerza a una motocicleta en movimiento.
Entonces, lo que yo llamo un objeto abstracto es solo una forma de referirme a algo que se mueve a la misma velocidad que el objeto al que se aplica la fuerza, y fue mi intento de lidiar con rolli ng movimiento del neumático trasero en el caso de la motocicleta.
El punto de aplicación de la fuerza en la zona de contacto tiene consecuencias, como un caballito si la aceleración es suficiente.
Desde un punto de vista estrictamente físico, la interfaz entre el neumático y la carretera convierte la potencia angular (par por velocidad angular) en potencia lineal (fuerza x velocidad lineal), por lo que no se realiza ningún trabajo neto. Sin embargo, es una práctica común indicar cuál es la potencia de la rueda trasera para una motocicleta, y esto se puede calcular como fuerza por velocidad. Esto se puede hacer usando un dinamómetro de chasis, pero también es posible determinar la fuerza a través de sensores de torque (transductores), lo que permite determinar la potencia de la rueda trasera en tiempo real mientras se conduce, y algunos ciclistas compran el equipo que incluye sensores de torque y registro de datos. para sus bicicletas de pista (de carreras).
Comentarios
- Se está aplicando energía a los neumáticos, y la fricción de los neumáticos en la carretera aplica que poder al coche. Tenga cuidado con el objeto que selecciona cuando usa ecuaciones de potencia.
- ¿Está seguro de que el parche de contacto se mueve en relación con la carretera? su velocidad es cero en la parte inferior del neumático y el doble de la velocidad en la parte superior
- ¿Qué quiere decir con » para que cualquier disminución en PE (potencial energía) termina como un aumento en KE (energía cinética) «. ¿Está su motocicleta bajando una colina o algo así?Si se ejecuta en una superficie nivelada, no hay cambios en la energía potencial, entonces, ¿qué ‘ sube? ¿Estás hablando de la energía potencial química del combustible?
- @Wolphramjonny: esto es diferente a un punto en la parte más externa de un neumático, que se mueve en un patrón cicloide. Yo ‘ estoy usando el término » parche de contacto » como lo usan las personas de dinámica de neumáticos , el parche de contacto se mueve con el vehículo, y tanto la banda de rodadura como la carretera » fluyen » a través del parche de contacto.
- @BobD: el motor extrae energía potencial del combustible que consume, o si ‘ es una motocicleta eléctrica, el motor extrae energía potencial de una batería. Cuando no hay pérdidas, me refiero a que PE + KE = constante.
Respuesta
El par aplicado a la rueda por el motor provoca una fuerza hacia atrás en la superficie de la carretera. Según la tercera ley de Newton, la fuerza hacia atrás en la carretera provoca una fuerza igual que actúa hacia adelante sobre el neumático junto a la carretera, en la ubicación que llama «zona de contacto». Esta fuerza que actúa hacia delante se debe a la fricción estática entre el neumático y el carretera. Seguirá siendo igual a la fuerza hacia atrás siempre que no se supere la fuerza de fricción estática máxima de $ μ_ {s} N $ , en cuyo caso la llanta deslizamiento. Para la fuerza de fricción estática máxima, $ μ_s $ es el coeficiente de fricción estática entre el neumático y la carretera y $ N $ es la fuerza normal que actúa sobre la rueda motriz debido a la parte del peso de la motocicleta que actúa sobre la rueda motriz.
Suponiendo que no hay arrastre, resistencia a la rodadura u otra externa (al automóvil ) las fuerzas actúan sobre la motocicleta, entonces la fuerza de fricción estática es la única fuerza externa que actúa sobre la motocicleta y, por lo tanto, es directamente responsable de propulsar hacia adelante. De hecho, la carretera está trabajando en el automóvil para impulsarlo hacia adelante.
Este hecho es algo difícil de entender porque la carretera claramente no es una fuente de energía. La fuente es el motor que crea la fuerza hacia atrás en la carretera que, a su vez, crea la fuerza de fricción estática hacia adelante que es responsable de hacer el trabajo. Entonces, la energía proviene del sistema de transmisión de potencia que transfiere energía de la fuente (combustible en el motor) al automóvil en virtud de una serie de interacciones que finalmente terminan como la fuerza de fricción estática de la carretera que actúa sobre el automóvil.
Espero que esto ayude.
Comentarios
- Agregué una sección para repensar mi pregunta. La carretera no ‘ t se mueve, pero ‘ puede ejercer una fuerza sobre una motocicleta en movimiento debido al movimiento de rodadura (fricción estática ) del neumático trasero conducido.
- Creo que una buena forma de decirlo sería que la carretera es parte del sistema de transmisión de potencia del automóvil, aunque no haya potencia realmente proporcionado por la carretera; al igual que los elementos de transmisión del automóvil no proporcionan energía; simplemente ayudan a mover (transmitir) el poder a través del sistema a donde realmente lo queremos
- @JMac Me gusta la sugerencia modificada un poco. Vea mi revisión.
- Esta respuesta no es correcta. La energía del automóvil no aumenta, por lo que no se realiza ningún trabajo en el automóvil. El trabajo es una transferencia de energía, no se transfiere energía, por lo tanto no se realiza ningún trabajo.
- @Dale El PE al que se refiere el OP es la energía potencial química del combustible del motor. No es PE mecánico (por ejemplo, PE gravitacional), por lo tanto, la conservación de la energía mecánica, PE + KE no se aplica aquí. La motocicleta acelera. Gana KE. El trabajo está hecho. La única fuerza externa que actúa sobre el ciclo en la dirección de avance que hace que el ciclo se acelere es la fuerza de fricción estática. Hace el trabajo. En última instancia, la energía proviene del combustible. No veo nada declarado por el OP que la energía de la motocicleta no ‘ t cambia. Nota: vea la edición del OP sobre repensar la situación.
Respuesta
El poder se define como: la tasa a qué trabajo se realiza o la velocidad a la que la energía se transfiere de un lugar a otro o se transforma de un tipo a otro. https://physics.info/power/
“la velocidad a la que se realiza el trabajo” viene dada por la fórmula $ P = \ vec F \ cdot \ vec v $ donde $ \ vec v $ es la velocidad del material en el punto de aplicación de la fuerza. En el ejemplo de una motocicleta sin pérdidas, el punto de aplicación de la fuerza es la parte inferior del neumático, que tiene $ \ vec v = 0 $ .
Sin embargo, es exactamente este punto el que está en cuestión.¿Es la velocidad correcta para calcular la potencia igual a la velocidad del material en el parche de contacto o es igual a la velocidad del parche de contacto? Por lo tanto, para resolver esto, veremos las otras partes de la definición para ver si una interpretación de $ \ vec v $ es más consistente con el resto de la definición que el otro.
“la velocidad a la que la energía se transfiere de un lugar a otro”. Debido a la conservación de la energía, si la energía se transfiriera en el parche de contacto, la energía del automóvil cambiaría. Dado que la energía del automóvil no cambia, está claro que la velocidad a la que se transfiere la energía a través del parche de contacto es cero. Entonces, según esta parte de la definición, la potencia es cero. Esto es consistente con $ \ vec v $ que representa la velocidad del material en el parche de contacto, pero inconsistente con $ \ vec v $ representa la velocidad del parche de contacto.
Existen dispositivos pasivos que transmiten energía de un lugar a otro, como ejes, cuerdas, engranajes y palancas. Sin embargo, en todos estos dispositivos hay una ubicación en el dispositivo donde se realiza un $ P $ positivo y otra donde una cantidad (idealmente) igual de $ P $ está listo. Este no es el caso en el parche de contacto.
“o transformado de un tipo a otro”. En un parche de contacto típico, la única transformación de energía es de energía mecánica a energía térmica. Suponiendo que es cero en este caso. En este problema, la única transformación de energía está en el motor, donde la energía se transforma de potencial a mecánica. Por tanto, tiene sentido hablar de la potencia del motor a pesar de la constancia de la energía total del vehículo. Pero en el parche de contacto cualquier energía es mecánica y permanece mecánica. Así que esta parte de la definición también es consistente con $ \ vec v $ que representa la velocidad del material en el parche de contacto, pero inconsistente con $ \ vec v $ que representa la velocidad del parche de contacto.
Por lo tanto, las otras dos partes de la definición de potencia indican que la potencia proporcionada por el parche de contacto es cero . Esto corresponde a la definición de que $ \ vec v $ es la velocidad del material en el parche de contacto.
La razón por la que esta pregunta engaña a tanta gente es porque la fuerza de la carretera cambia el impulso de la motocicleta. Sin embargo, es importante saber que el impulso y la energía son conceptos distintos. Están relacionados pero no son iguales. Una fuerza es la tasa de cambio de impulso, no la tasa de cambio de energía. Por lo tanto, es posible que una fuerza cambie el impulso de un objeto sin cambiar su energía. Este es un ejemplo, aunque hay muchos otros ejemplos similares.
Al final, la potencia mecánica transferida por una fuerza $ P = \ vec F \ cdot \ vec v $ siempre se calcula utilizando la velocidad de el material donde se aplica la fuerza, que es cero para el ejemplo de la motocicleta.
Comentarios
- Tenga en cuenta que actualicé mi pregunta con la sección separada agregada para notar el dilema del término » parche de contacto » ya que se refiere a la interfaz entre dos objetos y el » parche de contacto » puede o no moverse. Un » parche de contacto » solo tiene una velocidad si el neumático al que hace referencia también tiene una velocidad, por lo que es una situación específica.
- Por la misma lógica, ¿no se realiza ningún trabajo $ W = \ vec F \ cdot \ vec s $? Si no se realiza ningún trabajo, entonces, ¿cuál es el responsable del aumento de KE de las motocicletas a medida que acelera (en una situación de pérdida cero, PE + KE = constante, por lo que una disminución de PE se corresponde con un aumento de KE: ΔPE + ΔKE = 0)?
- La velocidad del parche de contacto no es relevante, solo importa la velocidad del material en el parche de contacto. Dado que $ W = \ int P \ dt $ si $ P = 0 $ entonces $ W = 0 $. Para obtener más información, consulte physicsforums.com/threads/…
- @Dale Me gusta su argumento , pero les parece interesante que la ganancia de KE del automóvil seguramente $ se puede calcular a partir de $ $$ \ Delta E_k = \ text {fuerza de fricción} \ times \ text {distancia recorrida por el parche de contacto}, $$ en otras palabras desde lo que podría llamarse el pseudo-trabajo.
- @Dale Yo diría que la energía se refleja en el límite del sistema, que es una interacción directa con él. La carretera no ‘ t cambia la energía neta en el automóvil, pero facilita directamente la transferencia de energía desde la rotación de las ruedas a la energía cinética lineal del automóvil.