Betrachten Sie den Fall eines beschleunigenden Motorrads, so wandelt der Motor potentielle Energie in mechanische Energie um, die zur Erzeugung eines Newtonschen Kraftpaares nach dem dritten Gesetz am Hinterreifen verwendet wird s Kontaktfläche, eine Rückwärtskraft, die von der Kontaktfläche auf das Brüllen ausgeübt wird und gleichzeitig mit einer Vorwärtskraft besteht, die von der Straße auf die Kontaktfläche ausgeübt wird. Um die Dinge zu vereinfachen, wird angenommen, dass es dabei keine Verluste gibt, keinen Widerstand, keinen Rollwiderstand usw., so dass jede Abnahme von PE (chemische potentielle Energie des Kraftstoffs / der Batterie) zu einer Zunahme von KE (kinetische Energie) führt.
Das „abstrakte“ Objekt ist in diesem Fall der Kontakt Patch des Hinterreifens. Obwohl es an der Kontaktfläche (Haftreibung) keine Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Reifens und der Straße gibt, bewegt sich die Kontaktfläche selbst mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Motorrad (ohne Berücksichtigung von lastbedingten Verformungen). Dies ist einfacher zu visualisieren, wenn Sie die Mitte des Bereichs des Kontaktfelds als verwenden die momentane Position der Kontaktfläche.
Die Straße kann keinen Strom erzeugen, aber der Angriffspunkt der Kraft, die die Straße auf die Kontaktfläche ausübt, bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Motorrad. Die Kraft könnte also als die von der Straße ausgeübte Kraft multipliziert mit der Geschwindigkeit des Angriffspunkts dieser Kraft, der Kontaktfläche, angegeben werden, die der Geschwindigkeit des Motorrads entspricht (unter der Annahme einer ebenen Straße).
Die Straße kann auch keine Arbeit ausführen, aber die integrale Summe der Kraft (gegenüber der Position des Kontaktfelds) mal der Entfernung, um die sich das Kontaktfeld bewegt, könnte verwendet werden, um die vom Motor ausgeführte „Arbeit“ zu berechnen.
Ich habe darüber nachgedacht. Kraft = auf das Motorrad ausgeübte Kraft · Geschwindigkeit des Motorrads. Die Tatsache, dass sich die Straße nicht bewegt, hat keinen Einfluss auf die Fähigkeit der Straße, eine Kraft auf das sich bewegende Motorrad auszuüben , weil es die Kraft auf die Kontaktfläche des Reifens ausübt, wo sich das Profil nicht in Bezug auf die Straße bewegt, sondern sich mit der negativen Geschwindigkeit des Motorrads in Bezug auf das Motorrad bewegt. Aufgrund der Rollbewegung und des Drehmoments Vom Motor übertragen der Reifen und das Rad des Motorrads die Kraft von der Straße auf das hintere Rad el Achse mit der gleichen Kraft von der Straße und mit der Geschwindigkeit des Motorrads. Die Straße könnte als Teil der Kraftübertragungssequenz betrachtet werden, bei der die Motorleistung zum Beschleunigen des Motorrads verwendet wird.
In diesem Fall entspricht die Geschwindigkeit der Kontaktfläche der Geschwindigkeit des Motorrads. Betrachten Sie jedoch eine Trommel, die durch einen sich drehenden Reifen winkelbeschleunigt wird. In diesem Fall bewegt sich die Kontaktfläche nicht, sondern die Oberfläche der Trommel. Die Trommel könnte durch ein Kabel ersetzt werden, das sich zwischen zwei Spulen schlängelt, so dass die Beschleunigung der Trommel erfolgt Kabel am Kontaktpunkt ist linear. In diesem Fall bewegt sich die Kontaktfläche nicht und Kraft = Kraft, die auf die Kabelgeschwindigkeit des Kabels ausgeübt wird.
Die Tatsache, dass sich die Reifenoberfläche in Bezug auf nicht bewegt Die Straße an der Kontaktstelle ist der Grund dafür, dass eine sich nicht bewegende Straße eine Kraft auf ein sich bewegendes Motorrad ausüben kann.
Was ich also als abstraktes Objekt bezeichne, ist nur eine Möglichkeit, sich auf etwas zu beziehen, das sich bewegt mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Objekt, auf das die Kraft ausgeübt wird, und war mein Versuch, mit Rolli umzugehen ng Bewegung des Hinterreifens beim Motorrad.
Der Kraftangriffspunkt an der Kontaktfläche hat Konsequenzen, z. B. ein Wheelie, wenn die Beschleunigung ausreichend ist.
Aus strenger physikalischer Sicht wandelt die Schnittstelle zwischen Reifen und Straße die Winkelleistung (Drehmoment mal Winkelgeschwindigkeit) in lineare Leistung (Kraft x Lineargeschwindigkeit) um, sodass keine Netzarbeit geleistet wird. Es ist jedoch üblich, die Hinterradleistung für ein Motorrad anzugeben, und dies kann als Kraft mal Geschwindigkeit berechnet werden. Dies kann mit einem Fahrleistungsprüfstand erfolgen, es ist jedoch auch möglich, die Kraft über Drehmomentsensoren (Tranducers) zu bestimmen, sodass die Leistung des Hinterrads während der Fahrt in Echtzeit ermittelt werden kann. Einige Fahrer kaufen die Ausrüstung, die Drehmomentsensoren und Datenaufzeichnung umfasst für ihre (Renn-) Rennräder.
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- Die Reifen werden mit Strom versorgt, und die Reibung der Reifen auf der Straße gilt dafür Strom zum Auto. Achten Sie darauf, welches Objekt Sie auswählen, wenn Sie Leistungsgleichungen verwenden.
- Sind Sie sicher, dass sich das Kontaktfeld relativ zur Straße bewegt? Seine Geschwindigkeit ist am unteren Ende des Reifens Null und am oberen Ende die doppelte Geschwindigkeit.
- Was meinst du mit „, so dass jede Abnahme des PE (Potential) Energie) führt zu einer Zunahme von KE (kinetische Energie) „. Läuft Ihr Motorrad einen Hügel hinunter oder so?Wenn es auf einer ebenen Fläche läuft, ändert sich die potenzielle Energie nicht. Was ist also ‚ los? Sprechen Sie über die chemische potentielle Energie des Kraftstoffs?
- @Wolphramjonny – Dies unterscheidet sich von einem Punkt im äußersten Teil eines Reifens, der sich in einem Zykloidenmuster bewegt. Ich ‚ verwende den Begriff “ Kontakt-Patch „, wie er von den Reifendynamikern verwendet wird bewegt sich das Kontaktfeld mit dem Fahrzeug, und sowohl das Profil als auch die Straße “ fließen “ durch das Kontaktfeld.
- @BobD – Der Motor entzieht dem verbrauchten Kraftstoff potenzielle Energie. Wenn es sich bei ‚ um ein elektrisches Motorrad handelt, entzieht der Motor einer Batterie potenzielle Energie. Ohne Verluste meine ich, dass PE + KE = konstant ist.
Antwort
Das auf das Rad ausgeübte Drehmoment durch den Motor verursacht verursacht eine Rückwärtskraft auf die Fahrbahnoberfläche. Gemäß Newtons drittem Gesetz bewirkt die Rückwärtskraft auf der Straße eine gleiche Kraft, die von der Straße an der Stelle, die Sie als „Kontaktfläche“ bezeichnen, auf den Reifen vorwärts wirkt. Diese vorwärts wirkende Kraft beruht auf statischer Reibung zwischen dem Reifen und dem Reifen Es wird weiterhin der Rückwärtskraft entsprechen, solange die maximale Haftreibungskraft von $ μ_ {s} N $ nicht überschritten wird. In diesem Fall wird der Reifen Schlupf. Für die maximale Haftreibungskraft $ μ_s $ ist der Haftreibungskoeffizient zwischen Reifen und Straße und $ N. $ ist die Normalkraft, die auf das Antriebsrad wirkt, weil der Teil des Motorradgewichts auf das Antriebsrad wirkt.
Es wird kein Luftwiderstand, Rollwiderstand oder andere äußere Einflüsse (auf das Auto) angenommen ) wirken Kräfte auf das Motorrad, dann ist die Haftreibungskraft die einzige äußere Kraft, die auf das Motorrad wirkt und ist daher direkt für den Antrieb verantwortlich es vorwärts. Die Straße arbeitet tatsächlich am Auto, um es vorwärts zu treiben.
Diese Tatsache ist etwas schwer zu verstehen, da die Straße eindeutig keine Energiequelle ist. Die Quelle ist der Motor, der die Rückwärtskraft auf der Straße erzeugt, die wiederum die Vorwärts-Haftreibungskraft erzeugt, die für die Ausführung der Arbeit verantwortlich ist. Die Energie kommt also aus dem Kraftübertragungssystem, das aufgrund einer Reihe von Wechselwirkungen Energie von der Quelle (Kraftstoff im Motor) zum Auto überträgt, die letztendlich als statische Reibungskraft der auf das Auto wirkenden Straße endet.
Hoffe, das hilft.
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- Ich habe meiner Frage einen Abschnitt zum Überdenken hinzugefügt. Die Straße bewegt sich nicht ‚ nicht, aber ‚ kann aufgrund der Rollbewegung (Haftreibung) eine Kraft auf ein sich bewegendes Motorrad ausüben ) des angetriebenen Hinterreifens.
- Ich denke, eine gute Möglichkeit, es auszudrücken, wäre, dass die Straße Teil des Kraftübertragungssystems des Autos ist, obwohl keine Kraft vorhanden ist tatsächlich von der Straße bereitgestellt; genauso wie die Getriebeelemente im Auto tatsächlich keine Leistung liefern; Sie helfen nur dabei, die Energie durch das System dorthin zu bringen, wo wir sie tatsächlich wollen.
- @JMac Ich mag den Vorschlag, der ein wenig modifiziert wurde. Siehe meine Überarbeitung.
- Diese Antwort ist nicht korrekt. Die Energie des Autos steigt nicht an, daher werden keine Arbeiten im Auto ausgeführt. Arbeit ist eine Energieübertragung, es wird keine Energie übertragen, daher wird keine Arbeit geleistet.
- @Dale Das vom OP genannte PE ist die chemische potentielle Energie des Motorkraftstoffs. Es ist kein mechanisches PE (z. B. Gravitations-PE), daher die Erhaltung der mechanischen Energie, PE + KE gilt hier nicht. Das Motorrad beschleunigt. Es gewinnt KE. Arbeit ist getan. Die einzige äußere Kraft, die in Vorwärtsrichtung auf den Zyklus wirkt und den Zyklus beschleunigt, ist die statische Reibungskraft. Es macht die Arbeit. Die Energie kommt letztendlich aus dem Kraftstoff. Ich sehe im OP nichts, was besagt, dass sich die Energie des Motorrads nicht ‚ ändert. Hinweis: Informationen zum Überdenken der Situation finden Sie in der OP-Bearbeitung.
Antwort
Die Leistung ist definiert als: die Rate bei welche Arbeit erledigt wird oder mit welcher Geschwindigkeit Energie von einem Ort zum anderen übertragen oder von einem Typ zum anderen umgewandelt wird. https://physics.info/power/
„Die Geschwindigkeit, mit der gearbeitet wird“ wird durch die Formel
Genau dieser Punkt ist jedoch fraglich.Ist die richtige Geschwindigkeit zur Berechnung der Leistung gleich der Geschwindigkeit des Materials am Kontaktfleck oder ist sie gleich der Geschwindigkeit des Kontaktfleckens? Um dies zu beheben, werden wir uns die anderen Teile der Definition ansehen, um festzustellen, ob eine Interpretation von $ \ vec v $ mit dem Rest der Definition konsistenter ist als das andere.
„die Geschwindigkeit, mit der Energie von einem Ort zum anderen übertragen wird“. Aufgrund der Energieeinsparung würde sich die Energie des Autos ändern, wenn Energie an der Kontaktfläche übertragen würde. Da sich die Energie des Autos nicht ändert, ist klar, dass die Geschwindigkeit, mit der Energie über das Kontaktfeld übertragen wird, Null ist. Nach diesem Teil der Definition ist die Leistung also Null. Dies stimmt mit $ \ vec v $ überein, das die Geschwindigkeit des Materials am Kontaktfeld darstellt, stimmt jedoch nicht mit $ \ vec überein v $ stellt die Geschwindigkeit des Kontaktfelds dar.
Es gibt passive Geräte, die Energie von einem Ort zum anderen übertragen, z. B. Wellen, Seile, Zahnräder und Hebel. In all diesen Geräten gibt es jedoch eine Stelle auf dem Gerät, an der positive $ P $ durchgeführt wird, und eine andere, an der (idealerweise) die gleiche Menge an negativen $ P $ ist fertig. Dies ist beim Kontakt-Patch nicht der Fall.
„oder von einem Typ in einen anderen umgewandelt“. Bei einem typischen Kontaktfeld erfolgt die einzige Umwandlung von Energie von mechanischer Energie in Wärmeenergie. Unter der Annahme, dass dies in diesem Fall Null ist. Bei diesem Problem findet die einzige Energieumwandlung im Motor statt, wo Energie von potentiell zu mechanisch umgewandelt wird. Es ist daher sinnvoll, trotz der Konstanz der Gesamtenergie des Fahrzeugs von der Motorleistung zu sprechen. Aber am Kontaktfeld ist jede Energie mechanisch und bleibt mechanisch. Dieser Teil der Definition stimmt also auch mit $ \ vec v $ überein, das die Geschwindigkeit des Materials am Kontaktfeld darstellt, stimmt jedoch nicht mit $ \ vec v $ , der die Geschwindigkeit des Kontaktfelds darstellt.
Daher geben beide anderen Teile der Leistungsdefinition an, dass die vom Kontaktfeld bereitgestellte Leistung Null ist . Dies entspricht der Definition, dass $ \ vec v $ die Geschwindigkeit des Materials am Kontaktfeld ist.
Der Grund, warum diese Frage so viele Menschen täuscht, ist, dass die Kraft von der Straße den Schwung des Motorrads verändert. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass Impuls und Energie unterschiedliche Konzepte sind. Sie sind verwandt, aber nicht gleich. Eine Kraft ist die Änderungsrate des Impulses, nicht die Änderungsrate der Energie. Daher ist es möglich, dass eine Kraft den Impuls eines Objekts ändert, ohne seine Energie zu ändern. Dies ist ein Beispiel, obwohl es viele andere ähnliche Beispiele gibt.
Am Ende wird die mechanische Kraft, die von einer Kraft $ P = \ vec F \ cdot \ vec v $ übertragen wird, immer mit der Geschwindigkeit von berechnet das Material, auf das die Kraft ausgeübt wird, das für das Motorradbeispiel Null ist.
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- Beachten Sie, dass ich meine Frage mit dem hinzugefügten separaten Abschnitt aktualisiert habe, um das Dilemma des Begriffs “ Kontakt-Patch „, da er sich auf die Schnittstelle zwischen zwei Objekten und den “ Kontakt-Patch kann sich bewegen oder nicht. Ein “ Kontaktfeld “ hat nur dann eine Geschwindigkeit, wenn der Reifen, auf den er verweist, auch eine Geschwindigkeit hat, also situationsspezifisch.
- Wird nach der gleichen Logik auch keine Arbeit erledigt $ W = \ vec F \ cdot \ vec s $? Wenn keine Arbeit geleistet wird, was ist für die Zunahme der Motorräder KE beim Beschleunigen verantwortlich (in einer verlustfreien Situation ist PE + KE = konstant, so dass eine Abnahme von PE mit einer Zunahme von KE einhergeht: ΔPE + ΔKE = 0)?
- Die Geschwindigkeit des Kontaktfelds ist nicht relevant, nur die Geschwindigkeit des Materials am Kontaktfeld ist von Bedeutung. Da $ W = \ int P \ dt $ wenn $ P = 0 $ ist, dann ist $ W = 0 $. Einzelheiten finden Sie unter physicsforums.com/threads/…
- @Dale Ich mag Ihr Argument , aber finde es interessant, dass der Gewinn von KE des Autos sicher aus $ $$ \ Delta E_k = \ text {Reibungskraft} \ times \ text {Entfernung durch Kontaktfläche} berechnet werden kann, mit anderen Worten aus $$ Was könnte man Pseudoarbeit nennen?
- @Dale Ich würde argumentieren, dass die Energie von der Systemgrenze reflektiert wird, was eine direkte Interaktion mit ihr ist. Die Straße ‚ ändert die Nettoenergie im Auto nicht, erleichtert jedoch direkt die Energieübertragung von der Drehung der Räder auf die lineare kinetische Energie des Autos.