Si consideri il caso di una motocicletta in accelerazione, il motore converte lenergia potenziale in energia meccanica che viene utilizzata per generare una coppia di forze della terza legge di Newton sul pneumatico posteriore “area di contatto, una forza allindietro esercitata dalla zona di contatto sul ruggito, che coesiste con una forza in avanti esercitata dalla strada sulla zona di contatto. Per semplificare le cose, supponi che non ci siano perdite nel processo, nessuna resistenza, nessuna resistenza al rotolamento , ecc., in modo che qualsiasi diminuzione di PE (energia potenziale chimica del carburante / batteria) si traduca in un aumento di KE (energia cinetica).
Loggetto “astratto” in questo caso è il contatto Zona di contatto del pneumatico posteriore Sebbene non vi sia movimento relativo tra la superficie del pneumatico e la strada nella zona di contatto (attrito statico), la zona di contatto stessa si muove alla stessa velocità della motocicletta (ignorando le deformazioni legate al carico). Questo è più facile da visualizzare se usi il centro dellarea della toppa di contatto come la posizione istantanea della zona di contatto.
La strada non può generare potenza, ma il punto di applicazione della forza che la strada esercita sulla zona di contatto si muove con la stessa velocità della motocicletta. Quindi la potenza potrebbe essere definita come la forza esercitata dalla strada moltiplicata per la velocità del punto di applicazione di quella forza, la zona di contatto, che è la stessa della velocità della motocicletta (ipotizzando una strada pianeggiante).
Anche la strada non può “eseguire il lavoro, ma la somma integrale della forza (rispetto alla posizione della toppa di contatto) moltiplicata per la distanza percorsa dalla toppa di contatto, potrebbe essere utilizzata per calcolare il” lavoro “svolto che ha avuto origine dal motore.
Ci ho ripensato. Potenza = forza esercitata sulla motocicletta · velocità della motocicletta. Il fatto che la strada non si muova non influisce sulla capacità della strada di esercitare una forza sulla motocicletta in movimento , perché applica la forza alla zona di contatto del pneumatico, dove il battistrada non si muove rispetto alla strada, ma si muove con il negativo della velocità del motociclo rispetto al motociclo. A causa del rotolamento e della coppia dal motore, il pneumatico e la ruota della motocicletta trasmettono la forza dalla strada alla ruota posteriore asse el con la stessa forza dalla strada e alla velocità della motocicletta. La strada potrebbe essere considerata come parte della sequenza di trasmissione della potenza che utilizza la potenza del motore per accelerare la motocicletta.
In questo caso la velocità della zona di contatto è la stessa della velocità della motocicletta, ma si consideri che un tamburo viene accelerato angolarmente da un pneumatico in rotazione, in questo caso la zona di contatto non si muove, ma la superficie del tamburo lo è. Il tamburo potrebbe essere sostituito con un cavo che si avvolge tra due bobine, in modo che laccelerazione del cavo nel punto di contatto è lineare. In questo caso, la superficie di contatto non si muove e potenza = forza esercitata sul cavo · velocità del cavo.
Il fatto che la superficie del pneumatico non si muove rispetto la strada nel punto di contatto è la ragione per cui una strada ferma può applicare una forza a una motocicletta in movimento.
Quindi quello che io chiamo un oggetto astratto è solo un modo per riferirmi a qualcosa che si muove alla stessa velocità delloggetto a cui viene applicata la forza, ed è stato il mio tentativo di affrontare i rolli ng movimento del pneumatico posteriore nel caso della motocicletta.
Il punto di applicazione della forza nella zona di contatto ha delle conseguenze, come unimpennata se laccelerazione è sufficiente.
Da un punto di vista fisico rigoroso, linterfaccia tra pneumatico e strada converte la potenza angolare (coppia moltiplicata per velocità angolare) in potenza lineare (forza x velocità lineare), quindi non viene eseguito alcun lavoro netto. Tuttavia, è pratica comune affermare quale sia la potenza della ruota posteriore di una motocicletta e questo può essere calcolato come forza moltiplicata per la velocità. Questo può essere fatto utilizzando un banco dinamometrico, ma è anche possibile determinare la forza attraverso sensori di coppia (trasduttori), consentendo di determinare la potenza della ruota posteriore in tempo reale durante la guida, e alcuni motociclisti acquistano lattrezzatura che include sensori di coppia e registrazione dei dati per le loro bici da pista (da corsa).
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- La potenza viene applicata ai pneumatici e lattrito dei pneumatici sulla strada si applica potere alla macchina. Fai attenzione a quale oggetto selezioni quando usi le equazioni di potenza.
- sei sicuro che la zona di contatto si sposti rispetto alla strada? la sua velocità è zero nella parte inferiore del pneumatico e il doppio della velocità nella parte superiore
- Cosa si intende per ” in modo che qualsiasi diminuzione di PE (potenziale energia) finisce per aumentare la KE (energia cinetica) “. La tua moto sta scendendo da una collina o qualcosa del genere?Se funziona su una superficie piana non vi è alcun cambiamento nellenergia potenziale, quindi cosa succede ‘? Stai parlando dellenergia potenziale chimica del carburante?
- @Wolphramjonny – Questo è diverso da un punto sulla parte più esterna di un pneumatico, che si muove secondo uno schema cicloide. ‘ sto utilizzando il termine ” contact patch ” usato dalle persone che si occupano di tyre dynamics , larea di contatto si muove con il veicolo e sia il battistrada che la strada ” flow ” attraverso la toppa di contatto.
- @BobD – il motore estrae energia potenziale dal carburante che consuma oppure, se ‘ è una motocicletta elettrica, il motore estrae energia potenziale da una batteria. Senza perdite, intendo che PE + KE = costante.
Answer
La coppia applicata alla ruota dalle cause del motore provoca una forza allindietro sul manto stradale. Secondo la terza legge di Newton, la forza allindietro sulla strada causa una forza uguale che agisce in avanti sul pneumatico lungo la strada, nel punto che chiamate “zona di contatto”. Questa forza che agisce in avanti è dovuta allattrito statico tra il pneumatico e strada. Continuerà a eguagliare la forza allindietro fintanto che la forza di attrito statica massima di $ μ_ {s} N $ non viene superata, nel qual caso lo pneumatico slittamento. Per la massima forza di attrito statico $ μ_s $ è il coefficiente di attrito statico tra il pneumatico e la strada e $ N $ è la forza normale che agisce sulla ruota motrice dovuta a quella parte del peso della motocicletta che agisce sulla ruota motrice.
Supponendo che non vi siano trascinamento, resistenza al rotolamento o altro ) le forze agiscono sulla motocicletta, quindi la forza di attrito statico è lunica forza esterna che agisce sul motociclo ed è quindi direttamente responsabile della propulsione avanti. La strada, infatti, sta lavorando sulla macchina per spingerla in avanti.
Questo fatto è alquanto difficile da capire perché la strada chiaramente non è una fonte di energia. La fonte è il motore che crea la forza allindietro sulla strada che, a sua volta, crea la forza di attrito statico in avanti che è responsabile dellesecuzione del lavoro. Quindi lenergia proviene dal sistema di trasmissione di potenza che trasferisce energia dalla sorgente (carburante nel motore) allauto in virtù di una serie di interazioni che finiscono per diventare la forza di attrito statica della strada che agisce sullauto.
Spero che questo aiuti.
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- Ho aggiunto una sezione di ripensamento alla mia domanda. La strada non è ‘ in movimento, ma ‘ è in grado di esercitare una forza su una motocicletta in movimento a causa del movimento di rotolamento (attrito statico ) del pneumatico posteriore guidato.
- Penso che un buon modo per dire sarebbe che la strada fa parte del sistema di trasmissione di potenza dellauto, anche se non cè potenza effettivamente fornito dalla strada; proprio come nessun potere è effettivamente fornito dagli elementi di trasmissione nellauto; aiutano solo a spostare (trasmettere) la potenza attraverso il sistema dove effettivamente la vogliamo
- @JMac Mi piace il suggerimento modificato un po . Vedi la mia revisione.
- Questa risposta non è corretta. Lenergia dellauto non aumenta, quindi non viene svolto alcun lavoro nellauto. Il lavoro è un trasferimento di energia, nessuna energia viene trasferita, quindi non viene svolto alcun lavoro.
- @Dale Il PE a cui fa riferimento lOP è lenergia potenziale chimica del carburante del motore. Non è PE meccanico (ad esempio PE gravitazionale) quindi la conservazione dellenergia meccanica, PE + KE non si applica qui. La moto accelera. Guadagna KE. Il lavoro è fatto. Lunica forza esterna che agisce sul ciclo nella direzione in avanti provocando laccelerazione del ciclo è la forza di attrito statico. Fa il lavoro. Lenergia alla fine proviene dal carburante. Non vedo nulla affermato dallOP che lenergia della motocicletta non ‘ cambi. Nota: vedere la modifica dellOP sul ripensamento della situazione.
Risposta
La potenza è definita come: il tasso a quale lavoro viene svolto o la velocità con cui lenergia viene trasferita da un luogo a un altro o trasformata da un tipo a un altro. https://physics.info/power/
“la velocità con cui viene svolto il lavoro” è data dalla formula $ P = \ vec F \ cdot \ vec v $ dove $ \ vec v $ è la velocità del materiale nel punto di applicazione della forza. Nellesempio di una motocicletta senza perdite il punto di applicazione della forza è il fondo del pneumatico, che ha $ \ vec v = 0 $ .
Tuttavia, è esattamente questo punto che è in questione.La velocità corretta per il calcolo della potenza è uguale alla velocità del materiale nella zona di contatto o è uguale alla velocità della zona di contatto? Pertanto, per risolvere questo problema esamineremo le altre parti della definizione per vedere se uninterpretazione di $ \ vec v $ è più coerente con il resto della definizione di laltro.
“la velocità con cui lenergia viene trasferita da un luogo allaltro”. A causa della conservazione dellenergia, se lenergia venisse trasferita alla zona di contatto, lenergia dellauto cambierebbe. Poiché lenergia dellauto non cambia, è chiaro che la velocità con cui lenergia viene trasferita attraverso la zona di contatto è zero. Quindi secondo questa parte della definizione la potenza è zero. Ciò è coerente con $ \ vec v $ che rappresenta la velocità del materiale nel punto di contatto, ma incoerente con $ \ vec v $ che rappresenta la velocità della zona di contatto.
Esistono dispositivi passivi che trasmettono potenza da una posizione allaltra, come alberi, funi, ingranaggi e leve. Tuttavia, in tutti questi dispositivi esiste una posizione sul dispositivo in cui viene eseguito $ P $ positivo e un altro in cui viene eseguita una quantità (idealmente) uguale di $ P $ è fatto. Questo non è il caso della patch di contatto.
“o trasformato da un tipo a un altro”. In una tipica zona di contatto lunica trasformazione di energia è da energia meccanica a energia termica. Presumendo che in questo caso sia zero. In questo problema lunica trasformazione di energia è nel motore dove lenergia viene trasformata da potenziale a meccanica. Ha quindi senso parlare della potenza del motore nonostante la costanza dellenergia totale del veicolo. Ma nella zona di contatto qualsiasi energia è meccanica e rimane meccanica. Quindi questa parte della definizione è coerente anche con $ \ vec v $ che rappresenta la velocità del materiale nel punto di contatto, ma incoerente con $ \ vec v $ che rappresenta la velocità della patch di contatto.
Pertanto, entrambe le altre parti della definizione di potenza indicano che la potenza fornita dalla patch di contatto è zero . Ciò corrisponde alla definizione che $ \ vec v $ è la velocità del materiale nel punto di contatto.
Il motivo per cui questa domanda inganna così tante persone è perché la forza della strada cambia lo slancio della moto. Tuttavia, è importante sapere che lo slancio e lenergia sono concetti distinti. Sono imparentati ma non uguali. Una forza è la velocità di variazione della quantità di moto, non la velocità di variazione dellenergia. Pertanto è possibile che una forza cambi la quantità di moto di un oggetto senza cambiare la sua energia. Questo è un esempio, sebbene ci siano molti altri esempi simili.
Alla fine la potenza meccanica trasferita da una forza $ P = \ vec F \ cdot \ vec v $ viene sempre calcolata usando la velocità di il materiale su cui viene applicata la forza, che è zero per lesempio della motocicletta.
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- Tieni presente che ho aggiornato la mia domanda con laggiunta di una sezione separata per notare il dilemma del termine ” contact patch ” poiché si riferisce allinterfaccia tra due oggetti e la ” patch di contatto ” può o non può essere in movimento. Una ” toppa di contatto ” ha una velocità solo se il pneumatico a cui fa riferimento ha anche una velocità, quindi è specifica della situazione.
- Con la stessa logica, non viene svolto alcun lavoro $ W = \ vec F \ cdot \ vec s $? Se non viene svolto alcun lavoro, allora cosa è responsabile dellaumento dei motocicli KE mentre accelera (in una situazione di perdita zero, PE + KE = costante, quindi una diminuzione di PE corrisponde a un aumento di KE: ΔPE + ΔKE = 0)?
- La velocità della zona di contatto non è rilevante, conta solo la velocità del materiale nella zona di contatto. Poiché $ W = \ int P \ dt $ se $ P = 0 $ allora $ W = 0 $. Per i dettagli, vedi physicsforums.com/threads/…
- @Dale Mi piace il tuo argomento , ma trovo interessante che il guadagno di KE dellauto possa sicuramente essere $ calcolato da $ $$ \ Delta E_k = \ text {forza di attrito} \ times \ text {distanza spostata dalla toppa di contatto}, $$ in altre parole da quello che potrebbe essere chiamato lo pseudo-lavoro.
- @Dale Direi che lenergia viene riflessa dal confine del sistema, che è uninterazione diretta con esso. La strada non ‘ cambia lenergia netta nellauto, ma facilita direttamente il trasferimento di energia dalla rotazione delle ruote allenergia cinetica lineare dellauto.