Tenk på tilfellet med en akselererende motorsykkel, motoren omdanner potensiell energi til mekanisk energi som brukes til å generere et Newton tredje lovpar krefter på bakdekket «kontaktplaster, en tilbakestående kraft som utøves fra kontaktplasteret på brølet, som eksisterer sammen med en fremoverstyrke som utøves av veien på kontaktplasteret. For å forenkle ting, anta at det ikke er tap i prosessen, ingen motstand, ingen rullemotstand , etc., slik at enhver reduksjon i PE (kjemisk potensiell energi til drivstoffet / batteriet) ender opp som en økning i KE (kinetisk energi).
Det «abstrakte» objektet i dette tilfellet er kontakten Selv om det ikke er noen relativ bevegelse mellom overflaten på dekket og veien ved kontaktplasteret (statisk friksjon), beveger kontaktplasteret seg i samme hastighet som motorsykkelen (ignorerer belastningsrelaterte deformasjoner). Dette er lettere å visualisere hvis du bruker midtpunktet på kontaktplasteret som kontaktplasterets øyeblikkelige posisjon.
Veien kan ikke generere kraft, men påføringspunktet for kraften som veien utøver på kontaktplasteret beveger seg med samme hastighet som motorsykkelen. Så kraft kan angis som den kraften som utøves av veien, ganger hastigheten på kraftens påføringspunkt, kontaktplasteret, som er den samme som motorsykkelens hastighet (forutsatt en flat vei).
Veien kan ikke utføre arbeid, men den integrerte summen av kraft (kontra posisjonen til kontaktplasteret) ganger avstanden kontaktplasteret beveger seg, kan brukes til å beregne det «arbeidet» utført som stammer fra motoren.
Jeg tenkte på dette på nytt. Kraft = kraft utøvd på motorsykkel · hastighet på motorsykkel. Det faktum at veien ikke beveger seg, påvirker ikke veiens evne til å utøve en kraft på den bevegelige motorsykkelen , fordi den bruker kraften på dekkets kontaktflate, der slitebanen ikke beveger seg i forhold til veien, men beveger seg med negativt av motorsyklens hastighet i forhold til motorsykkelen. På grunn av rullende bevegelse og dreiemoment fra motoren overfører motorsykkelens dekk og hjul kraften fra veien til den bakre bilen el-aksen med samme kraft fra veien og med motorsykkelens hastighet. Veien kan betraktes som en del av kraftoverføringssekvensen som bruker motorens kraft til å akselerere motorsykkelen.
I dette tilfellet er hastigheten på kontaktlappen den samme som motorsykkelens hastighet, men vær oppmerksom på at en trommel akselereres vinklet av et snurrende dekk, i dette tilfellet er ikke kontaktplasteret i bevegelse, men overflaten på trommelen er. Trommelen kan erstattes med en kabel som løkker mellom to spoler, slik at akselerasjonen til kabelen ved kontaktpunktet er lineær. I dette tilfellet beveger ikke kontaktplasteret seg, og kraft = kraft som utøves på kabelen · kabelens hastighet.
Det faktum at dekkflaten ikke beveger seg mht. veien ved kontaktlappen er grunnen til at en ikke-bevegelig vei kan bruke en kraft på en motorsykkel i bevegelse.
Så det jeg refererer til som et abstrakt objekt er bare en måte å referere til noe som beveger seg i samme hastighet som objektet kraften blir brukt på, og var mitt forsøk på å håndtere rolli ng bevegelse av bakdekket når det gjelder motorsykkelen.
Tvingepunktet for å være på kontaktplasteret har konsekvenser, for eksempel en wheelie hvis akselerasjonen er tilstrekkelig.
Fra et strengt fysikk-synspunkt konverterer grensesnittet mellom dekk og vei vinkelkraft (dreiemoment ganger vinkelhastighet) til lineær kraft (kraft x lineær hastighet), så det gjøres ikke noe netto arbeid. Det er imidlertid vanlig praksis å oppgi hva bakhjulets hestekrefter er for en motorsykkel, og dette kan beregnes som kraft ganger hastighet. Dette kan gjøres ved hjelp av et chassisdynamometer, men det er også mulig å bestemme kraft gjennom dreiemomentsensorer (tranducers), slik at bakhjulets hestekrefter kan bestemmes i sanntid mens de kjører, og noen ryttere kjøper utstyret som inkluderer dreiemomentsensorer og dataopptak for deres (racing) motorsykler.
Kommentarer
- Kraft blir brukt på dekkene, og dekkens friksjon gjelder at strøm til bilen. Vær forsiktig med hvilket objekt du velger når du bruker kraftligninger.
- er du sikker på at kontaktlappen beveger seg i forhold til veien? Hastigheten er null på bunnen av dekket, og to ganger hastigheten øverst
- Hva mener du med » slik at en eventuell reduksjon i PE (potensielt energi) ender opp som en økning i KE (kinetisk energi) «. Løper motorsykkelen din ned en bakke eller noe?Hvis den kjører på et jevnt underlag, er det ingen endring i potensiell energi, så hva ‘ skjer? Snakker du om kjemisk potensiell energi til drivstoffet?
- @Wolphramjonny – Dette er annerledes enn et punkt på dekkets ytterste del, som beveger seg i et sykloidmønster. Jeg ‘ m bruker begrepet » kontaktoppdatering » som brukes av dekkdynamikken , kontaktplasteret beveger seg med kjøretøyet, og både slitebanen og veien » flyter » gjennom kontaktplasteret.
- @BobD – motoren henter potensiell energi fra drivstoffet den bruker, eller hvis den ‘ er en elektrisk motorsykkel, henter motoren potensiell energi fra et batteri. Med ingen tap, mener jeg at PE + KE = konstant.
Svar
Dreiemomentet på hjulet forårsaker en bakoverkraft på veibanen. Per Newtons tredje lov forårsaker bakoverkraften på veien en like stor kraft som virker fremover på dekket ved veien, på stedet du kaller «kontaktplasteret». Denne fremovervirkende kraften skyldes statisk friksjon mellom dekk og dekk veien. Det vil fortsette å være lik bakoverkraften så lenge den maksimale statiske friksjonskraften på $ μ_ {s} N $ ikke overskrides, i hvilket tilfelle dekket vil slip. For maksimal statisk friksjonskraft $ μ_s $ er koeffisienten for statisk friksjon mellom dekket og veien og $ N $ er den normale kraften som virker på drivhjulet på grunn av den delen av motorsyklens vekt som virker ned på drivhjulet.
Forutsatt ingen motstand, rullemotstand eller annet eksternt (til bilen ) krefter som virker på motorsykkelen, så er den statiske friksjonskraften den eneste eksterne kraften som virker på motorsyklusen og er derfor direkte ansvarlig for fremdrift det fremover. Veien gjør faktisk arbeid på bilen for å drive den fremover.
Dette er litt vanskelig å forstå fordi veien tydeligvis ikke er en energikilde. Kilden er motoren som skaper bakoverkraften på veien som igjen skaper den fremre statiske friksjonskraften som er ansvarlig for å utføre arbeidet. Så energien kommer fra kraftoverføringssystemet som overfører energi fra kilden (drivstoff i motoren) til bilen i kraft av en serie interaksjoner som til slutt ender opp som den statiske friksjonskraften til veien som virker på bilen.
Håper dette hjelper.
Kommentarer
- Jeg la til en omtenking i spørsmålet mitt. Veien er ikke ‘ t i bevegelse, men den ‘ er i stand til å utøve en kraft på en motorsykkel i bevegelse på grunn av rullende bevegelse (statisk friksjon ) av det drevne bakdekket.
- Jeg tror en god måte å formulere det på ville være at veien er en del av kraftoverføringssystemet til bilen, selv om ingen kraft er faktisk gitt av veien; akkurat som ingen kraft faktisk leveres av overføringselementene i bilen; de hjelper bare med å flytte (overføre) strømmen gjennom systemet dit vi faktisk vil ha det
- @JMac Jeg liker forslaget endret litt. Se min revisjon.
- Dette svaret er ikke riktig. Bilens energi øker ikke, derfor blir det ikke gjort noe arbeid i bilen. Arbeid er en overføring av energi, ingen energi overføres, derfor blir det ikke gjort noe arbeid.
- @Dale PE referert til av OP er den kjemiske potensielle energien til motorens drivstoff. Det er ikke mekanisk PE (f.eks. Gravitasjons-PE), og dermed bevaring av mekanisk energi, PE + KE gjelder ikke her. Motorsykkelen akselererer. Det får KE. Arbeidet er gjort. Den eneste eksterne kraften som virker på syklusen i fremoverretningen som får syklusen til å akselerere, er den statiske friksjonskraften. Det gjør jobben. Energien kommer til slutt fra drivstoffet. Jeg ser ingenting uttalt av OP at energien til motorsykkelen ikke ‘ t endres. Merk: se OP-redigeringen om nytenking av situasjonen.
Svar
Effekt er definert som: hastigheten ved hvilket arbeid som er utført eller i hvilken hastighet energien overføres fra ett sted til et annet eller transformeres fra en type til en annen. https://physics.info/power/
“hastigheten som arbeidet gjøres” er gitt med formelen $ P = \ vec F \ cdot \ vec v $ der $ \ vec v $ er hastigheten på materiale ved kraftens påføringstidspunkt. I eksemplet med en tapsfri motorsykkel er kraftens påføring bunnen av dekket, som har $ \ vec v = 0 $ .
Det er imidlertid akkurat dette punktet det er snakk om.Er riktig hastighet for å beregne kraften lik materialets hastighet ved kontaktlappen, eller er den lik hastigheten til kontaktlappen? Derfor, for å løse dette, vil vi se på de andre delene av definisjonen for å se om en tolkning av $ \ vec v $ er mer konsistent med resten av definisjonen enn den andre.
“hastigheten energien overføres fra et sted til et annet”. På grunn av energibesparelsen, hvis energien ble overført til kontaktplasteret, ville bilens energi endre seg. Siden bilens energi ikke endres, er det klart at hastigheten energien overføres over kontaktplasteret er null. Så ved denne delen av definisjonen er kraften null. Dette stemmer overens med $ \ vec v $ som representerer hastigheten på materialet ved kontaktoppdateringen, men ikke i samsvar med $ \ vec v $ som representerer hastigheten på kontaktoppdateringen.
Det finnes passive enheter som overfører kraft fra ett sted til et annet, som sjakter, tau, gir og spaker. Imidlertid er det i alle slike enheter ett sted på enheten der positiv $ P $ gjøres, og et annet der en (ideelt sett) lik mengde negativ $ P $ er ferdig. Dette er ikke tilfelle ved kontaktoppdateringen.
“eller forvandlet fra en type til en annen”. Ved en typisk kontaktplaster er den eneste transformasjonen av energi fra mekanisk energi til termisk energi. Ved antagelse som er null i dette tilfellet. I dette problemet er den eneste transformasjonen av energi i motoren der energi transformeres fra potensial til mekanisk. Det er derfor fornuftig å snakke om motorens kraft til tross for bilens totale energi. Men ved kontaktlappen er all energi mekanisk og forblir mekanisk. Så denne delen av definisjonen er også i samsvar med $ \ vec v $ som representerer hastigheten på materialet ved kontaktoppdateringen, men ikke i samsvar med $ \ vec v $ som representerer hastigheten på kontaktoppdateringen.
Derfor indikerer begge de andre delene av definisjonen av kraft at kraften som oppgis av kontaktoppdateringen er null . Dette samsvarer med definisjonen at $ \ vec v $ er hastigheten på materialet ved kontaktoppdateringen.
Årsaken til at dette spørsmålet lurer så mange mennesker er fordi kraften fra veien endrer motorsykkelens momentum. Det er imidlertid viktig å vite at fart og energi er forskjellige begreper. De er beslektede, men ikke de samme. En kraft er hastigheten på endring av momentum, ikke hastigheten på endring av energi. Derfor er det mulig for en kraft å forandre et objekts momentum uten å endre energi. Dette er ett eksempel, selv om det er mange andre lignende eksempler.
Til slutt beregnes alltid den mekaniske kraften som overføres av en kraft $ P = \ vec F \ cdot \ vec v $ ved hjelp av hastigheten på materialet der kraften påføres, som er null for motorsykkeleksemplet.
Kommentarer
- Merk at jeg oppdaterte spørsmålet mitt med den adskilte delen for å legge merke til dilemmaet for begrepet » kontaktoppdatering » siden det refererer til grensesnittet mellom to objekter, og » kontaktoppdatering » kan bevege seg eller ikke. En » kontaktoppdatering » har bare en hastighet hvis dekket det refererer til også har en hastighet, så det er situasjonsspesifikt.
- Er det ikke gjort noe arbeid med samme logikk enten $ W = \ vec F \ cdot \ vec s $? Hvis ikke noe arbeid er gjort, hva er ansvarlig for økningen i motorsyklene KE når den akselererer (i en nulltapsituasjon, PE + KE = konstant, så en nedgang i PE blir matchet med en økning i KE: 0)?
- Kontaktplasterets hastighet er ikke relevant, bare materialets hastighet ved kontaktplaster har betydning. Siden $ W = \ int P \ dt $ hvis $ P = 0 $ da $ W = 0 $. For detaljer se physicsforums.com/threads/…
- @Dale Jeg liker argumentet ditt , men synes det er interessant at gevinsten til KE for bilen sikkert kan beregnes $ fra $ $$ \ Delta E_k = \ text {friksjonskraft} \ ganger \ tekst {avstand flyttet av kontaktplaster}, $$ med andre ord fra det som kan kalles pseudo-arbeid.
- @Dale Jeg vil hevde at energien reflekteres fra systemgrensen, som er en direkte interaksjon med den. Veien forandrer ikke ‘ t nettoenergien i bilen, men den letter direkte overføringen av energi fra hjulets rotasjon til den lineære kinetiske energien til bilen.