Tänk på fallet med en accelererande motorcykel, motorn omvandlar potentiell energi till mekanisk energi som används för att generera ett Newton tredje lagsparametrar på bakdäcket ”s kontaktplåster, en bakåtkraft som utövas från kontaktplåstret mot bruset, som existerar samtidigt med en framåtriktad kraft som utövas av vägen mot kontaktplåstret. För att förenkla saker, antag att det inte finns några förluster i processen, inget drag, inget rullmotstånd , etc., så att en minskning av PE (kemisk potentiell energi hos bränslet / batteriet) hamnar som en ökning av KE (kinetisk energi).
Det ”abstrakta” objektet i detta fall är kontakten Även om det inte finns någon relativ rörelse mellan ytan på däcket och vägen vid kontaktplåstret (statisk friktion) rör sig själva kontaktplåstret med samma hastighet som motorcykeln (ignorerar belastningsrelaterade deformationer). Detta är lättare att visualisera om du använder mittpunkten för kontaktplåstret som kontaktplåstrets ögonblickliga läge.
Vägen kan inte generera kraft, men appliceringspunkten för den kraft som vägen utövar på kontaktplåstret rör sig med samma hastighet som motorcykeln. Så kraft kan anges som den kraft som utövas av vägen gånger hastigheten för appliceringspunkten för den kraften, kontaktplåstret, vilket är detsamma som motorcykelns hastighet (förutsatt en platt väg).
Vägen kan också inte utföra arbete, men den integrerade summan av kraft (kontra kontaktplåstrets position) gånger avståndet som kontaktplåstret rör sig kan användas för att beräkna det ”utförda” arbete som härstammar från motorn.
Jag tänkte om det här. Kraft = kraft som utövas på motorcykeln · motorcykelns hastighet. Det faktum att vägen inte rör sig påverkar inte vägens förmåga att utöva en kraft på den rörliga motorcykeln , eftersom det applicerar kraften på däckets kontaktplåster, där slitbanan inte rör sig i förhållande till vägen, utan rör sig med det negativa av motorcykelns hastighet i förhållande till motorcykeln. På grund av rullande rörelse och vridmoment från motorn överför motorcykelns däck och hjul kraften från vägen till den bakre vägen elaxeln med samma kraft från vägen och med motorcykelns hastighet. Vägen kan betraktas som en del av kraftöverföringssekvensen som använder motorns kraft för att påskynda motorcykeln.
I detta fall är kontaktplåstrets hastighet densamma som motorcykelns hastighet, men tänk på att en trumma accelereras i vinkel av ett snurrande däck, i detta fall rör sig inte kontaktplåstret utan ytan på trumman. Trumman kan ersättas med en kabel som slingrar sig mellan två spolar, så att accelerationen av kabeln vid kontaktpunkten är linjär. I detta fall rör sig inte kontaktplåstret, och kraft = kraft som utövas på kabeln · kabelns hastighet.
Det faktum att däcksytan inte rör sig i förhållande till vägen vid kontaktplåten är anledningen till att en väg som inte rör sig kan använda en kraft på en rörlig motorcykel.
Så vad jag hänvisar till som ett abstrakt objekt är bara ett sätt att hänvisa till något som rör sig i samma hastighet som objektet som kraften appliceras på, och var mitt försök att hantera rolli ng rörelse för bakhjulet när det gäller motorcykeln.
Kraftanvändningspunkten vid kontaktplåstret har konsekvenser, till exempel ett hjul om accelerationen är tillräcklig.
Ur en strikt fysik synvinkel omvandlar gränssnittet mellan däck och väg vinkeleffekt (vridmoment gånger vinkelhastighet) till linjär effekt (kraft x linjär hastighet), så inget nettoarbete utförs. Det är dock vanligt att ange vad bakhjulets hästkrafter är för en motorcykel, och detta kan beräknas som kraft gånger hastighet. Detta kan göras med hjälp av en chassidynamometer, men det är också möjligt att bestämma kraften genom vridmomentsensorer (tranducer), så att bakhjulets hästkrafter kan bestämmas i realtid under körning, och vissa ryttare köper utrustningen som inkluderar vridmomentsensorer och dataregistrering för deras (racing) spårcyklar.
Kommentarer
- Kraften appliceras på däcken och friktionen på däcken på vägen gäller att kraft till bilen. Var försiktig med vilket objekt du väljer när du använder kraftekvationer.
- är du säker på att kontaktplåstret rör sig relativt vägen? dess hastighet är noll längst ner på däcket och dubbelt så högt uppe
- Vad menar du med ” så att eventuell minskning av PE (potentiell energi) hamnar som en ökning av KE (kinetisk energi) ”. Kör din motorcykel nerför en kulle eller något?Om den körs på en plan yta sker ingen förändring i potentiell energi, så vad ’ är det? Pratar du om kemisk potentiell energi hos bränslet?
- @Wolphramjonny – Detta är annorlunda än en punkt i yttersta delen av ett däck, som rör sig i ett cykloidmönster. Jag ’ m använder termen ” kontaktplåster ” som används av däcksdynamiken , kontaktplåstret rör sig med fordonet och både slitbanan och vägen ” flyter ” genom kontaktplåstret.
- @BobD – motorn extraherar potentiell energi från det bränsle som den förbrukar, eller om den ’ är en elektrisk motorcykel, tar motorn ut potentiell energi från ett batteri. Med inga förluster menar jag att PE + KE = konstant.
Svar
Momentet som appliceras på hjulet orsakar en bakåtkraft på vägytan. Per Newtons tredje lag orsakar bakåtkraften på vägen en lika kraft som verkar framåt på däcket vid vägen, på den plats du kallar ”kontaktplåstret”. Denna framåtverkande kraft beror på statisk friktion mellan däcket och väg. Det kommer att fortsätta att motsvara bakåtkraften så länge den maximala statiska friktionskraften för $ μ_ {s} N $ inte överskrids, i vilket fall däcket kommer glidning. För maximal statisk friktionskraft $ μ_s $ är koefficienten för statisk friktion mellan däcket och vägen och $ N $ är den normala kraften som verkar på drivhjulet på grund av att den del av motorcykelns vikt som verkar ner på drivhjulet.
Förutsatt att inget slitage, rullmotstånd eller annat yttre (till bilen ) krafter verkar på motorcykeln, då är den statiska friktionskraften den enda yttre kraften som verkar på motorcykeln och är därför direkt ansvarig för framdrivningen det framåt. Vägen gör faktiskt arbete på bilen för att driva den framåt.
Detta faktum är något svårt att förstå eftersom vägen helt klart inte är en energikälla. Källan är motorn som skapar den bakåtgående kraften på vägen som i sin tur skapar den framåtriktade statiska friktionskraften som är ansvarig för att utföra arbetet. Så energin kommer från kraftöverföringssystemet som överför energi från källan (bränsle i motorn) till bilen på grund av en serie interaktioner som slutligen slutar som den statiska friktionskraften på vägen som verkar på bilen.
Hoppas det hjälper.
Kommentarer
- Jag lade till en omprövning i min fråga. Vägen rör sig inte ’ men den ’ kan utöva en kraft på en rörlig motorcykel på grund av rullande rörelse (statisk friktion ) av det drivna bakhjulet.
- Jag tycker att ett bra sätt att uttrycka det skulle vara att vägen är en del av bilens kraftöverföring -system, även om ingen kraft är faktiskt tillhandahålls av vägen; precis som ingen kraft faktiskt tillhandahålls av transmissionselementen i bilen; de hjälper bara flytta (överföra) kraften genom systemet dit vi faktiskt vill ha det
- @JMac Jag gillar förslaget modifierat lite. Se min version.
- Det här svaret är inte korrekt. Bilens energi ökar inte, därför görs inget arbete i bilen. Arbete är en överföring av energi, ingen energi överförs, därför görs inget arbete.
- @Dale PE som hänvisas till av OP är den kemiska potentiella energin i motorbränslet. Det är inte mekanisk PE (t.ex. gravitationell PE), därför bevaras mekanisk energi, PE + KE gäller inte här. Motorcykeln accelererar. Det vinner KE. Jobbet är klart. Den enda externa kraften som verkar på cykeln framåt och orsakar att cykeln accelererar är den statiska friktionskraften. Det gör jobbet. Energin kommer till slut från bränslet. Jag ser inget som anges av OP: n att motorcykelns energi inte ’ t förändras. Obs: se OP-redigeringen om omprövning av situationen.
Svar
Effekt definieras som: hastigheten vid vilket arbete som utförs eller i vilken takt energi överförs från en plats till en annan eller omvandlas från en typ till en annan. https://physics.info/power/
”hastigheten med vilken arbete utförs” ges med formeln $ P = \ vec F \ cdot \ vec v $ där $ \ vec v $ är hastigheten på material vid kraftens tillämpningspunkt. I exemplet med en förlustfri motorcykel är kraftens appliceringspunkt botten på däcket, som har $ \ vec v = 0 $ .
Det är dock exakt denna punkt som ifrågasätts.Är rätt hastighet för beräkning av effekten lika med materialets hastighet vid kontaktplåstret eller är den lika med kontaktplåstrets hastighet? För att lösa detta kommer vi därför att titta på de andra delarna av definitionen för att se om en tolkning av $ \ vec v $ överensstämmer med resten av definitionen än den andra.
”den hastighet med vilken energi överförs från en plats till en annan”. På grund av energibesparing, om energi överfördes vid kontaktplåstret, skulle bilens energi förändras. Eftersom bilens energi inte förändras är det tydligt att hastigheten med vilken energi överförs över kontaktplåstret är noll. Så enligt denna del av definitionen är effekten noll. Detta överensstämmer med $ \ vec v $ som representerar materialets hastighet vid kontaktplåstret, men är oförenligt med $ \ vec v $ som representerar hastigheten på kontaktplåstret.
Det finns passiva enheter som överför kraft från en plats till en annan, såsom axlar, rep, kugghjul och spakar. Men i alla sådana enheter finns det en plats på enheten där positiv $ P $ görs och en annan där en (helst) lika stor mängd negativ $ P $ är klar. Detta är inte fallet vid kontaktplåstret.
“eller omvandlas från en typ till en annan”. Vid en typisk kontaktplåster är den enda omvandlingen av energi från mekanisk energi till termisk energi. Med antagande är det noll i detta fall. I detta problem är den enda omvandlingen av energi i motorn där energi omvandlas från potential till mekanisk. Det är därför vettigt att tala om motorns kraft trots att fordonets totala energi är konstant. Men vid kontaktplåstret är all energi mekanisk och förblir mekanisk. Så den här delen av definitionen överensstämmer också med $ \ vec v $ som representerar hastigheten på materialet vid kontaktplåstret, men inkonsekvent med $ \ vec v $ som representerar hastigheten på kontaktplåstret.
Därför indikerar båda de andra delarna av definitionen av effekt att effekten som tillhandahålls av kontaktplåstret är noll . Detta motsvarar definitionen att $ \ vec v $ är materialets hastighet vid kontaktplåstret.
Anledningen till att denna fråga lurar så många är att kraften från vägen ändrar motorcykelns fart. Det är dock viktigt att veta att fart och energi är distinkta begrepp. De är släkt men inte samma. En kraft är hastigheten för förändring av momentum, inte hastigheten för förändring av energi. Därför är det möjligt för en kraft att ändra ett objekts fart utan att ändra dess energi. Detta är ett exempel, även om det finns många andra liknande exempel.
I slutändan beräknas alltid den mekaniska effekten som överförs av en kraft $ P = \ vec F \ cdot \ vec v $ med hastigheten på materialet där kraften appliceras, vilket är noll för motorcykelexemplet.
Kommentarer
- Observera att jag uppdaterade min fråga med det tillagda separerade avsnittet för att notera dilemmaet för termen ” kontaktlapp ” eftersom den hänvisar till gränssnittet mellan två objekt och ” kontaktplåstret ” kanske eller inte rör sig. En ” kontaktplåstr ” har bara en hastighet om däcket det refererar till också har en hastighet, så det är situationsspecifikt.
- Gör inget arbete heller med samma logik $ W = \ vec F \ cdot \ vec s $? Om inget arbete görs, vad är det som är ansvarigt för ökningen av motorcyklarna KE när den accelererar (i en nollförlustsituation, PE + KE = konstant, så en minskning av PE matchas av en ökning av KE: ΔPE + ΔKE = 0)?
- Kontaktplåstrets hastighet är inte relevant, endast materialets hastighet vid kontaktplåstret har betydelse. Eftersom $ W = \ int P \ dt $ om $ P = 0 $ då $ W = 0 $. För detaljer se physicsforums.com/threads/…
- @Dale Jag gillar ditt argument , men tycker att det är intressant att vinsten av KE för bilen säkert kan beräknas $ $ från $ $$ \ Delta E_k = \ text {friktionskraft} \ gånger \ text {avstånd flyttat av kontaktplåster}, $$ med andra ord vad man kan kalla pseudo-arbetet.
- @Dale Jag skulle hävda att energin reflekteras från systemgränsen, vilket är en direkt interaktion med den. Vägen ändrar inte ’ t nätets energi i bilen, men det underlättar direkt energiöverföringen från hjulens rotation till den linjära kinetiska energin i bilen.