Luați în considerare cazul unei motociclete cu accelerație, motorul transformă energia potențială în energie mecanică care este utilizată pentru a genera o pereche de forțe Newton a treia lege la anvelopa din spate Patch-ul de contact, o forță înapoi exercitată de patch-ul de contact asupra vuietului, coexistând cu o forță înainte exercitată de drum pe patch-ul de contact. Pentru a simplifica lucrurile, presupuneți că nu există pierderi în proces, nici o rezistență la tracțiune, nici o rezistență la rulare. , etc., astfel încât orice scădere a PE (energia potențială chimică a combustibilului / bateriei) să ajungă ca o creștere a KE (energia cinetică).
Obiectul „abstract” în acest caz este contactul patch-ul pneului din spate. Deși nu există nicio mișcare relativă între suprafața pneului și șosea la zona de contact (frecare statică), patch-ul de contact în sine se mișcă cu aceeași viteză ca motocicleta (ignorând deformările legate de sarcină). Acest lucru este mai ușor de vizualizat dacă utilizați centrul zonei patch-ului de contact ca poziția instantanee a patch-ului de contact.
Drumul nu poate genera energie, dar punctul de aplicare a forței pe care drumul o exercită asupra patch-ului de contact se mișcă cu aceeași viteză ca motocicleta. Deci, puterea ar putea fi declarată ca forța exercitată de drum, viteza punctului de aplicare a acelei forțe, patch-ul de contact, care este aceeași cu viteza motocicletei (presupunând un drum plat).
e asemenea, drumul nu poate efectua lucrări, dar suma integrală a forței (față de poziția patch-ului de contact) ori distanța deplasării patch-ului de contact ar putea fi utilizată pentru a calcula „munca” efectuată care a provenit de la motor.
Am făcut o regândire asupra acestui aspect. Puterea = forța exercitată pe motocicletă · viteza motocicletei. Faptul că drumul nu se mișcă nu afectează capacitatea drumului de a exercita o forță pe motocicleta în mișcare , deoarece aplică forța pe plasturele de contact al anvelopei, unde banda de rulare nu se mișcă față de drum, ci se deplasează cu negativul vitezei motocicletelor față de motocicletă. Datorită mișcării de rulare și cuplului de la motor, anvelopa și roata motocicletei transmit forța de pe drum pe roata din spate axa el cu aceeași forță față de drum și la viteza motocicletei. Drumul ar putea fi considerat ca făcând parte din secvența de transmisie a puterii care utilizează puterea motorului pentru a accelera motocicleta.
În acest caz, viteza patch-ului de contact este aceeași cu viteza motocicletei, dar considerați că un tambur este accelerat unghiular de o anvelopă care se învârte, în acest caz plasturele de contact nu se mișcă, dar suprafața tamburului este. Tamburul ar putea fi înlocuit cu un cablu care se bucură între două bobine, astfel încât accelerația cablul la punctul de contact este liniar. În acest caz, patch-ul de contact nu se mișcă și puterea = forța exercitată asupra cablului · viteza cablului.
Faptul că suprafața anvelopei nu se mișcă față de drumul de pe zona de contact este motivul pentru care un drum care nu se deplasează poate aplica o forță unei motociclete în mișcare.
Deci, ceea ce mă refer la un obiect abstract este doar un mod de a se referi la ceva care se mișcă la aceeași viteză cu obiectul la care se aplică forța și a fost încercarea mea de a face față rolului mișcarea anvelopei din spate în cazul motocicletei.
Punctul de aplicare a forței care se află la patch-ul de contact are consecințe, cum ar fi un wheelie dacă accelerația este suficientă.
Din punct de vedere fizic strict, interfața dintre anvelopă și drum convertește puterea unghiulară (cuplul ori viteza unghiulară) în putere liniară (forța x viteza liniară), deci nu se face nicio lucrare netă. Cu toate acestea, este o practică obișnuită să se precizeze care este puterea roții din spate pentru o motocicletă, iar aceasta poate fi calculată ca forță ori viteza. Acest lucru se poate face folosind un dinamometru de șasiu, dar este, de asemenea, posibil să se determine forța prin senzorii de cuplu (tranducere), permițând determinarea puterii roții din spate în timp real în timpul călătoriei, iar unii călăreți cumpără echipamentul care include senzori de cuplu și înregistrare de date. pentru bicicletele lor de curse (de curse).
Comentarii
- Puterea este aplicată anvelopelor, iar fricțiunea anvelopelor pe șosea se aplică că puterea mașinii. Aveți grijă ce obiect selectați atunci când utilizați ecuații de putere.
- sunteți sigur că patch-ul de contact se mișcă în raport cu drumul? viteza sa este zero în partea de jos a anvelopei și de două ori viteza în partea de sus
- Ce vrei să spui prin ” astfel încât orice scădere a PE (potențial energie) ajunge ca o creștere a KE (energie cinetică) „. Motocicleta ta aleargă pe un deal sau așa ceva?Dacă rulează pe o suprafață plană, nu există nicio schimbare a energiei potențiale, deci ce ‘ se întâmplă? Vorbiți despre energia potențială chimică a combustibilului?
- @Wolphramjonny – Acest lucru este diferit de un punct de pe partea exterioară a unei anvelope, care se mișcă într-un model cicloid. ‘ folosesc termenul ” patch de contact ” așa cum este folosit de oamenii din dinamica anvelopelor , patch-ul de contact se deplasează odată cu vehiculul, și atât banda de rulare, cât și drumul ” curge ” prin patch-ul de contact.
- @BobD – motorul extrage energia potențială din combustibilul pe care îl consumă sau, dacă este ‘ o motocicletă electrică, motorul extrage energia potențială dintr-o baterie. Fără pierderi, vreau să spun că PE + KE = constantă.
Răspuns
Cuplul aplicat roții cauzate de motor cauzează o forță înapoi pe suprafața drumului. Conform celei de-a treia legi a lui Newton, forța înapoi pe drum provoacă o forță egală care acționează înainte pe anvelopă de către șosea, în locul pe care îl numiți „plasturele de contact”. Această forță de acțiune înainte se datorează fricțiunii statice dintre anvelopă și drum. Va continua să fie egală cu forța înapoi atâta timp cât forța maximă de frecare statică a $ μ_ {s} N $ nu este depășită, caz în care anvelopa va alunecare. Pentru forța de frecare statică maximă $ μ_s $ este coeficientul de frecare statică dintre anvelopă și drum și $ N $ este forța normală care acționează asupra roții motrice datorită acelei părți din greutatea motocicletelor care acționează în jos pe roata motrice.
Presupunând că nu există rezistență la tracțiune, rezistență la rulare sau altele externe (față de mașină) ) forțele acționează asupra motocicletei, atunci forța de frecare statică este singura forță externă care acționează asupra ciclului motorului și, prin urmare, este direct responsabilă de propulsie înainte. De fapt, drumul lucrează la mașină pentru a o propulsa înainte.
Acest fapt este oarecum dificil de înțeles deoarece drumul nu este în mod clar o sursă de energie. Sursa este motorul care creează forța înapoi pe drum, care, la rândul său, creează forța de frecare statică înainte care este responsabilă pentru efectuarea lucrului. Deci, energia provine din sistemul de transmisie a puterii care transferă energia de la sursă (combustibilul din motor) la mașină în virtutea unei serii de interacțiuni care, în cele din urmă, ajung la forța de frecare statică a drumului care acționează asupra mașinii.
Sper că acest lucru vă va ajuta.
Comentarii
- Am adăugat o secțiune de repensare la întrebarea mea. Drumul nu ‘ nu se mișcă, dar ‘ este capabil să exercite o forță asupra unei motociclete în mișcare datorită mișcării de rulare (frecare statică ) a anvelopei spate acționate.
- Cred că o modalitate bună de a spune că drumul face parte din sistemul de transmisie transmisie al mașinii, chiar dacă nu există putere de fapt asigurat de drum; la fel ca elementele de transmisie din mașină nu furnizează nicio putere; ei doar ajută la mutarea (transmiterea) puterii prin sistem către locul în care vrem de fapt
- @JMac Îmi place sugestia modificată puțin. Vedeți versiunea mea.
- Acest răspuns nu este corect. Energia mașinii nu crește, prin urmare nu se lucrează în mașină. Munca este un transfer de energie, nu se transferă energie și, prin urmare, nu se lucrează.
- @Dale PE menționat de OP este energia potențială chimică a combustibilului motorului. Nu este PE mecanic (de exemplu PE gravitațional), prin urmare, conservarea energiei mecanice, PE + KE nu se aplică aici. Motocicleta accelerează. Câștigă KE. Munca este gata. Singura forță externă care acționează asupra ciclului în direcția înainte care determină accelerarea ciclului este forța statică de frecare. Face treaba. Energia provine în cele din urmă din combustibil. Nu văd nimic declarat de OP că energia motocicletei nu se schimbă ‘. Notă: consultați editarea OP despre regândirea situației.
Răspuns
Puterea este definită ca: rata la ce muncă se face sau viteza cu care energia este transferată dintr-un loc în altul sau transformată de la un tip la altul. https://physics.info/power/
„rata la care se lucrează” este dată de formula $ P = \ vec F \ cdot \ vec v $ unde $ \ vec v $ este viteza material la punctul de aplicare a forței. În exemplul unei motociclete fără pierderi, punctul de aplicare a forței este partea inferioară a anvelopei, care are $ \ vec v = 0 $ .
Cu toate acestea, tocmai acest punct este în discuție.Viteza corectă pentru calcularea puterii este egală cu viteza materialului la patch-ul de contact sau este egală cu viteza patch-ului de contact? Prin urmare, pentru a rezolva acest lucru, vom analiza celelalte părți ale definiției pentru a vedea dacă o interpretare a $ \ vec v $ este mai consistentă cu restul definiției decât celălalt.
„rata la care energia este transferată dintr-un loc în altul”. Datorită conservării energiei, dacă energia ar fi transferată în zona de contact, atunci energia mașinii s-ar schimba. Deoarece energia mașinii nu se schimbă, este clar că viteza cu care energia este transferată pe patch-ul de contact este zero. Deci, prin această parte a definiției, puterea este zero. Acest lucru este în concordanță cu $ \ vec v $ reprezentând viteza materialului la patch-ul de contact, dar este incompatibil cu $ \ vec v $ reprezentând viteza patch-ului de contact.
Există dispozitive pasive care transmit puterea dintr-o locație în alta, cum ar fi arbori, frânghii, roți dințate și pârghii. Cu toate acestea, în toate aceste dispozitive există o locație pe dispozitiv în care se face $ P $ pozitiv și o altă în care (în mod ideal) o cantitate egală de $ P $ este terminat. Nu este cazul la patch-ul de contact.
„sau transformat de la un tip la altul”. La un patch tipic de contact, singura transformare a energiei este de la energie mecanică la energie termică. Prin presupunerea că este zero în acest caz. În această problemă, singura transformare a energiei se află în motor, unde energia este transformată din potențial în mecanic. Prin urmare, are sens să vorbim despre puterea motorului, în ciuda constanței energiei totale a vehiculului. Dar în zona de contact orice energie este mecanică și rămâne mecanică. Deci, această porțiune a definiției este, de asemenea, consecventă cu $ \ vec v $ care reprezintă viteza materialului la patch-ul de contact, dar inconsistentă cu $ \ vec v $ reprezentând viteza patch-ului de contact.
Prin urmare, ambele părți ale definiției puterii indică faptul că puterea furnizată de patch-ul de contact este zero . Acest lucru corespunde definiției că $ \ vec v $ este viteza materialului la patch-ul de contact.
Motivul pentru care această întrebare păcălește atât de mulți oameni este că forța de pe drum schimbă impulsul motocicletei. Cu toate acestea, este important să știm că impulsul și energia sunt concepte distincte. Sunt înrudite, dar nu la fel. O forță este rata de schimbare a impulsului, nu rata de schimbare a energiei. Prin urmare, este posibil ca o forță să schimbe impulsul unui obiect fără a-și schimba energia. Acesta este un exemplu, deși există multe alte exemple similare.
La final puterea mecanică transferată de o forță $ P = \ vec F \ cdot \ vec v $ este întotdeauna calculată folosind viteza de materialul la care se aplică forța, care este zero pentru exemplul motocicletei.
Comentarii
- Rețineți că mi-am actualizat întrebarea cu secțiunea separată adăugată pentru a nota dilema termenului ” patch de contact ” deoarece se referă la interfața dintre două obiecte și ” patch de contact ” se poate mișca sau nu. Un ” patch de contact ” are o viteză numai dacă anvelopa la care face referință are și o viteză, deci este specifică situației.
- În aceeași logică, nu se lucrează nici $ W = \ vec F \ cdot \ vec s $? Dacă nu se lucrează, atunci ce este responsabil pentru creșterea motocicletelor KE pe măsură ce se accelerează (într-o situație de pierdere zero, PE + KE = constantă, deci o scădere a PE este egalată cu o creștere a KE: ΔPE + ΔKE = 0)?
- Viteza patch-ului de contact nu este relevantă, contează doar viteza materialului la patch-ul de contact. Deoarece $ W = \ int P \ dt $ dacă $ P = 0 $ atunci $ W = 0 $. Pentru detalii, consultați physicsforums.com/threads/…
- @Dale Îmi place argumentul tău , dar consideră că este interesant că câștigul KE al mașinii poate fi calculat cu siguranță din $ $$ \ Delta E_k = \ text {forță de frecare} \ ori \ text {distanță mutată de patch-ul de contact}, $$ cu alte cuvinte din ceea ce s-ar putea numi pseudo-lucru.
- @Dale Aș argumenta că energia este reflectată de la limita sistemului, care este o interacțiune directă cu acesta. Drumul nu ‘ nu schimbă energia netă din mașină, dar facilitează direct transferul de energie de la rotația roților la energia cinetică liniară a mașinii.