Основы теории движения автомобиля: Теория движения автомобиля: основные элементы

Содержание

Основные сведения по теории движения автомобиля

Категория:

Управление автомобилем

Публикация:

Основные сведения по теории движения автомобиля

Читать далее:

Торможение автомобиля

Основные сведения по теории движения автомобиля

Каждому водителю для овладения мастерством вождения необходимо правильно сочетать практический опыт с теоретическими знаниями. Знание теории движения автомобиля и умелое применение их на практике позволяют эффективнее использовать возможности автомобиля и обеспечить безопасность его движения. Рассмотрим некоторые вопросы теории движения автомобиля.

Силы, действующие на автомобиль во время его движения

Внешними силами, на преодоление которых расходуется тяговое усилие, полученное от двигателя на ведущих колесах автомобиля при его движении по горизонтальной плоскости с равномерной скоростью, являются силы сопротивления качению и сила сопротивления воздуха.

При движении на подъем дополнительно надо преодолевать силу сопротивления вертикальному перемещению центра тяжести автомобиля, при ускоренном движении — силу сопротивления инерции автомобиля.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

На автомобиль как при движении, так и в неподвижном состоянии действует сила тяжести. Силой тяжести автомобиля является его масса, измеряется она в килограммах и действует параллельно по вертикали вниз, прижимая колеса к дороге.

Рис. 1. Силы, действующие на автомобиль при движении на подъем

Как видно, колеса автомобиля могут быть прижаты к дороге с различной силой, что зависит от массы груза и его распределения в кузове. Чем ниже расположен центр тяжести, тем устойчивее автомобиль против опрокидывания. При неравномерном укладывании груза центр тяжести может сместиться вперед, назад или в сторону, при этом нарушается устойчивость и управляемость автомобиля.

Сила сцепления колес с дорогой возникает между ведущими колесами автомобиля и дорогой. Она равна произведению коэффициента сцепления на сцепную массу, то есть на массу автомобиля, приходящуюся на его ведущие колеса. В автомобиле со всеми ведущими осями сцепной массой является полная масса автомобиля.

Коэффициент сцепления имеет решающее значение при торможении автомобиля. Чем выше коэффициент сцепления, тем больше может быть интенсивность торможения автомобиля.

Величина коэффициента сцепления колес автомобиля с дорогой имеет большое значение для эксплуатации транспортных средств и безопасности дорожного движения. При низком коэффициенте сцепления трогание автомобиля с места затруднено, так как оно сопровождается пробуксовкой, а торможение — скольжением колес, поэтому автомобиль иногда не удается тронуть с места, а при торможении происходят резкое увеличение тормозного пути и возникновение заноса.

При увеличении скорости движения коэффициент сцепления снижается, в особенности на мокрой дороге, так как выступы рисунка протектора шины не успевают продавливать пленку влаги. Здесь важно исправное состояние рисунка протектора шины.

Повышенное давление воздуха в шинах уменьшает их опорную поверхность, вследствие чего давление возрастает настолько, что при троганин с места и при торможении сцепление колес с дорогой уменьшается.

В связи с тем, что много дорожно-транспортных происшествий происходит из-за плохого сцепления, водители при управлении автомобилем должны уметь оценивать величину коэффициента сцепления и выбирать скорость движения и приемы управления в соответствии с дорожными и погодными условиями.

Сила сопротивления качению колес автомобиля складывается из деформации шин и грунта, трения шин о дорогу, трения в подшипниках передних колес, в рессорах и рессорных серьгах или в амортизаторах подвески автомобиля. Определение всех этих сил в различных условиях движения а-втомобиля очень сложно. Поэтому все эти сопротивления учитываются общим коэффициентом, установленным экспериментальным путем. Этот коэффициент называется коэффициентом сопротивления качению автомобиля.

Коэффициент сопротивления качению шин на асфальтированном покрытии равен 0,019—0,020; на гравийном покрытии — 0,02— 0,025; на песке — 0,1—0,3.

Сила сопротивления воздуха слагается из любого движения встречного воздуха, разрежения за движущимся автомобилем, трения частиц воздуха о поверхность кузова автомобиля. Силу сопротивления воздуха можно определить приближенно перемножением площади проекции автомобиля на коэффициент сопротивления воздуха и скорость движения автомобиля. Коэффициент сопротивления воздуха определяется в килограммах на 1 м2 площади проекции автомобиля при скорости движения 1 м/сек. Сила сопротивления воздуха зависит от величины лобовой поверхности автомобиля, его формы, а также скорости движения. С увеличением скорости автомобиля сила сопротивления воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости движения, то есть если скорость возрастает в два раза, то сопротивление воздуха увеличивается в четыре раза.

Мощность, затрачиваемая на сопротивление воздуха, с увеличением скорости движения автомобиля возрастает пропорционально кубу скорости. Из этого следует, что груз на грузовых автомобилях надо распределять равномерно по поверхности платформы, а также не развивать высоких скоростей.

Сила, затрачиваемая автомобилем на преодоление подъема, равна массе автомобиля, умноженной на величину угла подъема.

Чем круче подъем, тем больше сила, затрачиваемая на его преодоление. При движении автомобиля под уклон, наоборот, возникает сила, способствующая ускорению движения автомобиля. При подъезде к подъему необходимо правильно оценить возможность преодоления подъема. Если подъем продолжительный, его преодолевают на пониженной передаче, переключившись на нее в начале подъема. При движении автомобиля под уклон, наоборот, возникает сила, способствующая ускорению движения автомобиля. Вследствие этого на крутых спусках рекомендуется включить ту передачу, на которой можно осуществить подъем.

Лекция «Вопросы теории движения легкового автомобиля»

Муниципальное автономное образовательное учреждение

дополнительного образования детей

«Детско-юношеский центр»

Лекция к разделу

Основы безопасности дорожного движения

Вопросы теории движения легкового автомобиля

Салехард, 2015

Теоретический анализ эксплуатационных свойств помогает выяснить предельные возможности автомобиля и реализовать в дорожных условиях конструктивные особенности конкретной модели автомобиля.

К основным эксплуатационным свойствам, характеризующим «поведение» легкового автомобиля на дороге, относятся:

динамичность, топливная экономичность, устойчивость, управляемость, проходимость и плавность хода.

В теории автомобиля его эксплуатационные свойства рассматривают изолированно одно от другого. В действительности все они тесно взаимосвязаны. Так, скорость автомобиля на поворотах может быть ограничена не динамичностью, а управляемостью и устойчивостью, а на неровных дорогах плавностью хода.

Динамичность – свойство автомобиля двигаться с максимально возможной средней скоростью, характеризующееся максимальной скоростью движения, интенсивностью разгона до заданной скорости и интенсивностью торможения.

Динамичность автомобиля зависит, прежде всего, от его тяговых и тормозных свойств.

Автомобиль движется в результате воздействия на него различных сил (рис. 1), которые разделяются на силы, движущие автомобиль, и силы, оказывающие сопротивление его движению.

Основной движущей силой является сила тяги, приложенная к ведущим колесам. Сила тяги возникает в результате взаимодействия ведущих колес (нагруженных крутящим моментом, передаваемым от двигателя) с дорогой. От величины тягового усилия на колесах зависит преодоление сил сопротивления движению, быстрота разгона, или, как говорят, приемистость автомобиля.

Сила тяги в основном определяется скоростной характеристикой двигателя, а также передаточным отношением и КПД трансмиссии. Скоростные характеристики двигателя характеризуются изменением мощности и крутящего момента, развиваемых двигателем, в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.

В режиме максимального крутящего момента двигатель развивает наибольшую тягу, необходимую для преодоления больших сопротивлений движению и обеспечения высоких ускорений при разгоне, а в режиме максимальной мощности до движения автомобиля.

Рис. 1. Силы, действующие на автомобиль при движении:

Ри – инерционная, Риб – боковая инерционная, Рбс – сопротивления боковому скольжению, Ррд – реакции дороги на опору колеса, Рт – тяги на ведущих колесах, Рв – сопротивления воздуха, Рд – сопротивления качению.

Эксплуатационная частота вращения коленчатого вала двигателя должна находиться в диапазоне между максимумами крутящего момента и мощности. В этом случае обеспечивается минимальный удельный расход топлива при высоких динамических показателях автомобиля.

Большую помощь водителю для выбора наиболее оптимального режима движения в конкретных дорожных условиях оказывают тахометр, который контролирует режим работы двигателя, и эконометр, указывающий величину разрежения во впускном трубопроводе.

К силам сопротивления движению автомобиля относят силу трения в трансмиссии, силу сопротивления качению Рд и силу сопротивления воздуху Рв.

Потери в трансмиссии, затрачиваемые на преодоление трения в зацеплениях зубчатых колес коробки передач и главной передачи, в карданных шарнирах, подшипниках и сальниках, характеризуют КПД трансмиссии. Эта величина в процессе эксплуатации автомобиля с учетом приработки деталей изменяется и для легковых автомобилей составляет 0,90…0,97.

Следовательно, величина мощности и крутящего момента, подводимая к ведущим колесам, будет меньше величин, получаемых непосредственно от двигателя, на величину потерь в трансмиссии, т. е.

NT = Ne – NTP,

где NT–тяговая мощность, подводимая к ведущим колесам, Ne– эффективная мощность двигателя, NTP – мощность, необходимая для преодоления сил в трансмиссии.

Сила тяги Рт как основная сила, движущая автомобиль, должна быть достаточной для трогания автомобиля с места, поддержания необходимой скорости и придания требуемого ускорения. Сила тяги регламентируется предельным значением коэффициента сцепления шин с дорогой, который характеризует относительную мгновенную неподвижность точки контакта шины и дороги, т. е. избыточная сила тяги, реализуемая крутящим моментом двигателя, приводит к буксованию колес относительно дороги. Наиболее часто буксование наблюдается при резком трогании автомобиля с места и при движении по скользкой дороге.

На дорогах с твердым покрытием коэффициент сцепления зависит главным образом от трения скольжения между шиной и покрытием. При смачивании твердого покрытия коэффициент сцепления резко падает из-за образования пленки из частиц грунта и воды, уменьшающих трение между шиной и дорогой. Большое влияние на коэффициент сцепления оказывают рисунок проектора шин и степень его износа. В противоположность буксованию при разгоне автомобиля, недостаточном сцеплении шин с дорогой, при торможении возникает скольжение вследствие блокировки заторможенного колеса, т. е. «юз». Как полное буксование, так и «юз» являются предельными случаями движения колес, допускать которые нежелательно. При нормальной эксплуатации автомобиля, как правило, наблюдается частичное пробуксовывание или частичное проскальзывание.

Эти максимальные подъемы определяют исходя из того, что весь запас мощности, которым располагает автомобиль, расходуется на преодоление сопротивления движению. Следовательно, когда на дороге встречаются подъемы, которые автомобиль может преодолеть на данной передаче, можно продолжать движение без снижения скорости. Как только крутизна подъема превысит указанный предел, скорость автомобиля резко уменьшается. Поэтому необходимо быстро перейти на пониженную передачу. Если же крутизна фактически преодолеваемого подъема меньше указанной выше, то оставшийся запас мощности двигателя можно израсходовать на разгон автомобиля.

Автомобиль во время движения часть мощности, развиваемой двигателем, затрачивает на преодоление сил сопротивления воздуха Рв. При этом своей лобовой поверхностью автомобиль оказывает давление на воздух, а его боковые поверхности создают силу трения со слоями воздуха. Взаимодействие воздуха с автомобилем при его движении оценивается величиной аэродинамического сопротивления Сх, который для современных легковых автомобилей составляет 0,28…0,40. Затраты мощности на сопротивление воздуха, ничтожные при малой скорости движения, резко возрастают с ее увеличением.

Подводя итог вышеизложенному, можно сделать вывод, что для обеспечения нормального прямолинейного движения автомобиля необходимо, чтобы действовало следующее неравенство:

Pт > Рд И Рв + Ри, где Рт – сила тяги на ведущих колесах, Рд – сила сопротивления качению, Рв – сила сопротивления воздуха, Ри – сила инерции поступательно движущейся массы G автомобиля.

Динамичность современных легковых автомобилей позволяет достигать максимальной скорости 140…180 км/ч и интенсивности разгона до скорости 100 км/ч за 12…18 с.

Динамичность автомобиля характеризуется также и его тормозными свойствами. При движении с той или иной скоростью водитель должен точно знать, какой путь потребуется ему для срочной остановки автомобиля. На сухом горизонтальном участке дороги с твердым покрытием у современных легковых автомобилей малого класса максимальное замедление должно быть не менее 5,8 м/с². Это значит, что тормозной путь при начальной скорости 80 км/ч составит около 40 м. Этот путь возрастает в 1,5…2 раза на мокром и скользком шоссе, и особенно в гололедицу.

Топливная экономичность определяет техническую и экономическую характеристики автомобиля.

Учитывая, что стоимость топлива составляет 10…15 % всех затрат на эксплуатацию автомобиля, необходимо использовать топливо с максимальной эффективностью, не допуская неоправданных потерь. Показателем топливной экономичности автомобиля является контрольный расход топлива в литрах на 100 км пути. Контрольные расходы при равномерном, установившемся режиме движения определяют при постоянных скоростях 90 и 120 км/ч. Однако в эксплуатации преобладают переменные режимы движения с разгонами и замедлениями различной интенсивности. Поэтому контрольный расход топлива определяют и при переменном режиме, используя для этого специальный стенд с беговыми барабанами, имитирующими дорожное сопротивление. Движение на стенде осуществляется по так называемому условному городскому циклу, режимы которого составлены на основе статистически обработанных реальных условий эксплуатации с использованием низших передач, режимов разгона и торможения.

При эксплуатации автомобилей для учета расхода топлива используют контрольный эксплуатационный расход топлива (норматив), который отличается от ранее рассмотренных тем, что учитывает особенности эксплуатации автомобиля в конкретных дорожных и климатических условиях.

Следующим свойством, определяющим техническую характеристику автомобиля на дороге, является устойчивость. Она определяется совокупностью свойств, обеспечивающих движение автомобиля без бокового скольжения, опрокидывания и произвольного смещения с заданного направления. Для легковых автомобилей более вероятна и более опасна потеря поперечной устойчивости, которая происходит под действием центробежной силы – поперечной составляющей силы тяжести автомобиля, силы бокового ветра, и силы, возникающей в результате боковых ударов колес о неровности дороги. Показателями поперечной устойчивости автомобиля являются максимально возможные скорости движения по окружности и максимально допустимый поперечный уклон дороги (косогор), исключающий опрокидывание. Оба показателя могут быть определены из условий поперечного скольжения колес (занос) и опрокидывания автомобиля. Боковое усилие чаще всего возникает под действием боковой инерционной (центробежной) силы (см. рис. 1), величина которой прямо пропорциональна массе и квадрату скорости автомобиля и обратно пропорциональна радиусу поворота, т. е. чем больше скорость автомобиля и чем резче водитель поворачивает рулевое колесо, тем больше вероятность потери устойчивости автомобиле из-за существенного увеличения боковой инерционной силы.

Наиболее опасный вариант нарушения устойчивости – бокового опрокидывание автомобиля. Чаще всего это происходит при резком увеличении боковой инерционной силы из-за упора боковины колеса о препятствие при повороте или поперечном скольжении, а также при движении по косогору.

Для определения условий бокового опрокидывания рассмотри! частный случай движения автомобиля на косогоре. В этом случае автомобиль находится под действием двух составляющих силы тяжести G (рис. 2). Боковая составляющая G вызывает боковое смещение и при определенных условиях опрокидывание автомобиля.

Составляющая G2, перпендикулярная поверхности косогора DE, прижимает к ней колеса автомобиля и противодействует его боковому смещению. Автомобиль сохраняет свою устойчивость, когда линия, по которой направлена сила тяжести G (перпендикуляр к линии горизонта АС), пересекает опорную поверхность в пределах ширины колеи В автомобиля. Опрокидывание автомобиля наступит тогда, когда данное пересечение выйдет за пределы колеи В, а это зависит от высоты h–центра тяжести и угла AKD–наклона косогора. Чем меньше высота h и наклон косогора, тем более устойчив автомобиль против бокового опрокидывания при данной ширине колеи.

Рис. 2. Пример опрокидывания на косогоре

При поперечном скольжении автомобиля в условиях заноса на горизонтальном участке (или в условиях резкого поворота) боковое опрокидывание может произойти при резком увеличении боковой составляющей G1 и выхода результирующей составляющей G за пределы колеи В.

Способность автомобиля противостоять опрокидыванию можно характеризовать отношением М/В/(2h), называемым коэффициентом поперечной устойчивости, который для легковых автомобилей составляет 0,9…1,2 или 40…50° критического угла косогора AKD.

Поскольку у современных легковых автомобилей центр тяжести расположен низко, опасность бокового (так же, как и продольного) опрокидывания невелика. Она существенна для легковых автомобилей повышенной проходимости, с центром тяжести, расположенным высоко.

Продольная устойчивость автомобиля определяется максимальным углом подъема, который может преодолеть автомобиль при равномерном движении без буксования колес. Автомобиль со всеми ведущими колесами может преодолевать крутые подъемы без потери продольной устойчивости даже на мокрых и скользких дорогах.

Свойство автомобиля сохранять заданное направление движения и точно следовать траектории, определяемой поворотом рулевого колеса, называется управляемостью. Ее оценивают по следующим признакам:

· критическая скорость по условиям управляемости;

· поворачиваемость автомобиля;

· соотношение углов поворота управляемых колес;

· стабилизация управляемых колес;

· угловые колебания.

Критической скоростью по условиям управляемости называют скорость, с которой автомобиль может двигаться на повороте без поперечного скольжения управляемых колес. Нарушение управляемости может быть вызвано рядом внешних факторов, к числу которых относятся неровности дорожного покрытия и поперечный уклон дороги, пробуксовка одного из ведущих колес, попавшего на участок с пониженным коэффициентом сцепления или на участок с повышенным сопротивлением качению.

Все усилия, действующие в поперечном направлении, вызывают боковую деформацию шин и некоторое их смещение от пятна контакта (рис. 3). Каждая последующая точка на беговой дорожке шин входит в соприкосновение с дорогой несколько дальше от центра дороги, чем предыдущая. В результате отпечатки этих точек на след шин смещаются в сторону действия боковой силы инерции Р. Если соединить следы этих точек, то получится линия траектории качения колес б, которая будет находиться под углом d к средней плоскости направления самих колес а. Этот угол а между первоначальным и действительным направлениями качения колеса называется углом бокового увода.

Если же у автомобиля угол увода задних колес а меньше угла увода передних колес у (рис. 3, б), то радиус поворота R_II будет больше теоретического R_I. Такой автомобиль всегда стремится выйти за пределы окружности и обладает недостаточной поворачиваемостью.

Рис. 3. Схема поворота автомобиля с излишней (а) и недостаточной (б) поворачиваемостью:

I – теоретический центр поворота без увода колес, II – действительный центр поворота с уводом колес

Характеристика поворачиваемости автомобиля определяется конструкцией шасси автомобиля и в значительной мере видом применяемых шин, давлением воздуха в них, а зачастую и степенью их износа. Если на заднюю ось автомобиля поставить более изношенные шины, то автомобиль будет характеризоваться излишней поворачиваемостью. Оптимальным вариантом является автомобиль с несколько недостаточной или нейтральной поворачиваемостью. На практике многие водители предпочитают излишнюю поворачиваемость, так как в этом случае автомобиль «острее реагирует» на поворот рулевого колеса и позволяет проходить закругления дороги без снижения скорости.

Стабилизацией управляемых колес называют их свойство сохранять нейтральное положение (прямолинейного движения) и автоматически в него возвращаться после поворота.

Измерителями стабилизации колес при выходе автомобиля из поворота служит стабилизирующий момент, определяемый продольным и поперечным наклонами шкворней или стойки, а также поперечная эластичность шины.

Проходимость – свойство автомобиля выполнять транспортную работу в сложных и тяжелых дорожных условиях.

Это свойство определяется техническими и геометрическими параметрами автомобиля, а также профессиональным мастерством водителя. По проходимости легковые автомобили делятся на две группы: нормальной проходимости с колесной формулой «4 X 2» двумя ведущими колесами) и повышенной проходимости – «4 X 4» колеса ведущие).

Среди геометрических параметров автомобиля (рис. 4), определяющих его проходимость, основными являются дорожный просвет h – расстояние между низшей точкой автомобиля и плоскостью дороги, углы переднего а и заднего свеса, определяющие возможную величину въезда на препятствие или съезда с него, а также ширина колеи колес К и колесная база С. Кроме того, для автомобилей повышенной проходимости существенное значение имеют высота Н и общие габариты – длина L и ширина В, а также R1 и R2 – соответственно продольный и поперечный радиусы проходимости.

Плавность хода – один из основных факторов, определяющий комфортабельность легкового автомобиля, обеспечивающих удобства поездки водителя и пассажиров, а также сохранность перевозимых грузов.

Рис. 4. Геометрические параметры автомобиля

Плавность хода обеспечивается конструктивными особенностями автомобиля и обусловливается мастерством водителя.

Для человека наиболее привычными и безболезненными являются колебания, близкие к колебаниям при ходьбе и составляющие 1…1,5 Гц Меньшая частота может вызвать укачивание, более высокая (7…10 Гц) воспринимается как тряска. Помимо частоты колебания существенное влияние на плавность хода оказывает величина нарастания и убывания скорости перемещений при колебаниях (ускорения).

Плавность хода автомобилей оценивается количеством толчков на 1 км пути при конкретных вертикальных ускорениях. Так, для отечественных легковых автомобилей, имеющих хорошую плавность хода, число толчков составляет 15. ..20 при ускорении 2 м/с² и 2…50 при ускорении 3 м/с² на 1 км пути.

Для наиболее оптимального использования всех потенциальных возможностей автомобиля в соответствии с дорожными условиями! водитель должен знать особенности характеристик эксплуатируемый автомобилей, иметь представление о процессах, происходящих в них и сущности их взаимодействия с дорожными условиями и окружающей обстановкой.

Физика автомобилей и законы движения Ньютона – BuyAutoInsurance.com

Исаак Ньютон, пожалуй, величайший ученый, который когда-либо жил. Публикация его Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Математические принципы натуральной философии), также известной как Principia, в 1687 г. произвела революцию в том, что мы теперь знаем как физику.

В его работах изложены многие «правила» Вселенной, особенно касающиеся того, как объекты и силы взаимодействуют друг с другом. Чтобы объяснить свои идеи, Ньютону пришлось разработать исчисление, что продемонстрировало радикальный характер его теорий.

Возможно, наиболее известными в Principia были три закона движения Ньютона, устанавливающие универсальные правила того, как силы действуют на объекты.

Учитывая опасность, связанную с такими правилами, лучше всего понимать, что это означает, когда приходит время садиться в движущееся транспортное средство. Вы можете подумать, что вам нужно знать только о франшизах и страховых баллах, но безопасное вождение — это гораздо больше, чем просто чистота.

Ньютон смог применить математические принципы к, казалось бы, случайным столкновениям и другим взаимодействиям между объектами. При этом он показал, как даже мир природы подчиняется универсальным, неизменным математическим принципам.

Показав, что камень, брошенный маленьким мальчиком, подвержен тем же силам, что и движение планет, он создал веру в то, что вселенную можно познать путем исследования, положив начало эпохе эмпиризма и рационализма, кульминацией которой стал Научная революция и Просвещение.

Поскольку работа Ньютона основана на универсальных приложениях, у нее есть приложения, о которых сам Ньютон никогда бы не подумал. Одним из наиболее важных из них является автомобильная техника.

В основе автомобилей лежит принцип перемещения объектов большой массы, требующий приложения больших усилий. Автомобильные аварии и столкновения основаны на действии противоположных сил, часто в течение очень коротких периодов времени.

Понимание сил Ньютона может помочь уменьшить ущерб от этих сил как для автомобиля, так и для пассажира.

Каковы ключевые моменты автомобильной физики?

Первый из ключевых моментов физика автомобиля или физика транспортных средств заключается в том, что вождение автомобиля производит кинетическую энергию. Когда речь идет о столкновении транспортных средств разного размера, более крупное транспортное средство будет иметь более медленное торможение. При столкновении с объектом
транспортное средство может двигаться в противоположном направлении.

Кто известен тем, что ввел три закона движения?

При определении того, кто известен тем, что ввел три закона движения, обычно на ум приходит несколько имен. Сэр Исаак Ньютон — человек, стоящий за тремя законами движения, которые применяются к физика автомобиля сегодня.

На своих страницах Principia Ньютон также представил свой закон всемирного тяготения как пример своих законов движения. Вся материя притягивает силу, которая притягивает всю другую материю к своему центру. Сила силы зависит от массы объекта: Солнце имеет большую гравитацию, чем Земля, которая, в свою очередь, имеет большую гравитацию, чем яблоко.

Ньютоновские законы движения и теория гравитации описывают ежегодное путешествие Земли вокруг Солнца. Земля будет двигаться прямо сквозь Вселенную, но Солнце постоянно притягивает нашу планету. Эта сила искривляет путь Земли к Солнцу, вытягивая планету на эллиптическую (почти круговую) орбиту. Его физические теории также объясняют и предсказывают приливы и отливы.

Что такое первый закон движения?

Первый закон движения Ньютона гласит, что каждый объект будет оставаться либо в покое, либо в равномерном прямолинейном движении, пока на него не подействует внешняя сила. Это то, что известно как инерция.

На практике это означает, что если нет результирующей силы, действующей на покоящийся объект (т. е. если все силы, действующие на объект, компенсируют друг друга), объект будет продолжать двигаться с постоянной скоростью, включая если скорость равна нулю. Изменение чистой силы, действующей на объект, приведет к изменению скорости объекта.

Простыми словами

Когда вы бросаете шар для боулинга по дорожке (гладкая поверхность с небольшим трением), шар для боулинга будет двигаться с той же скоростью, пока не коснется кеглей.

Поскольку на шар для боулинга не действуют никакие другие силы, он будет продолжать двигаться с той же скоростью, с которой вы его отпустили, не замедляясь до тех пор, пока на него не подействует сила, компенсирующая его скорость (т. е. когда он ударится о кегли или конец переулок).

Что такое второй закон движения?

Второй закон движения касается того, как меняется поведение объекта, когда окружающие силы не уравновешены. Согласно этому закону, ускорение объекта зависит от двух вещей: силы, приложенной к этому объекту, и массы объекта.

Увеличение силы, действующей на объект, напрямую увеличивает ускорение объекта, а увеличение массы объекта обратно пропорционально уменьшает ускорение объекта.
Сила, действующая на объект, равна произведению массы объекта на его ускорение.

Это описывается уравнением:

F = m x a

Проще говоря,

Чем больше масса объекта, тем больше силы требуется, чтобы заставить его двигаться с определенной скоростью. Например, в футболе, когда квотербек бросает футбольный мяч, он прикладывает к нему определенную силу. Когда они это делают, футбольный мяч ускоряется как прямой ответ на эту силу.

Если квотербек бросает объект большей массы, например камень, ему потребуется приложить гораздо большую силу, чтобы получить такое же ускорение.

Что такое третий закон движения?

Третий закон, пожалуй, самый известный; он утверждает, что на каждое действие есть равное и противоположное противодействие.

Если один объект воздействует на другой объект, второй объект будет оказывать равную силу (в противоположном направлении) на первый объект.

С точки зрения непрофессионала

Представьте, что вы стоите на скользкой ледяной поверхности и пытаетесь одним мощным толчком тележку для покупок (или другой относительно тяжелый предмет).

Возможно, вам удастся переместить тележку вперед, но, скорее всего, вы также оттолкнетесь назад. Это пример принципа равенства и противоположности. Когда вы толкаете тележку, усилие, которое вы прилагаете, будет соответствовать тележке, отбрасывая вас назад.

Как работает сохранение энергии?

Идеей, связанной с тремя законами движения Ньютона, хотя и не сформулированной явно до девятнадцатого века, был принцип сохранения энергии.

В 1842 г. Юлиус Роберт фон Майер (и, независимо, в 1843 г. Джеймс Прескотт Джоуль) писал, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена и что все силы в изолированной системе должны быть равны друг другу.

Проще говоря, в вакууме (т. е. при отсутствии других сил, действующих на объект) объект, движущийся по прямой с силой x, может быть остановлен только приложением силы, равной x, в противоположном направлении. Все силы в этом уравнении равны друг другу, а энергия не создается и не уничтожается.

На практике это означает, что такие понятия, как потенциальная энергия (гравитационная и упругая), кинетическая энергия, тепло и свет, играют роль в «уравновешивании» сил. Это важно для расчета воздействия сил на автомобили и пассажиров и является неотъемлемой частью понимания трех законов Ньютона.

Каково влияние на пассажиров?

Ремни безопасности

Когда вы едете в автомобиле, вы получаете огромное количество кинетической энергии, потому что вы движетесь в пространстве с относительно высокой скоростью. В случае столкновения, когда тормозной путь относительно короткий, сила удара на тело чрезвычайно велика.

Причиной большого количества травм при столкновениях является внезапное замедление, вызванное остановкой. Это оказывает огромное воздействие на организм, часто приводя к внутренним травмам.

При проектировании более безопасных автомобилей одной из самых больших проблем, с которыми сталкиваются производители, является необходимость остановить пассажира в случае столкновения, не останавливая его так быстро, чтобы вызвать травму.

Если бы пассажир не был пристегнут ремнем безопасности, он бы не остановился вместе с транспортным средством, заставляя его продолжать движение в том же направлении, пока на него не подействует равная и противоположная сила.

Обычно это означает удар по рулевому колесу или приборной панели или по лобовому стеклу; если они находятся на задних сиденьях, это приводит к тому, что они воздействуют огромными силами на сиденья перед ними, что может быть смертельно опасным для тех, кто сидит на передних сиденьях.

Изобретение трехточечного ремня безопасности обеспечило средство, с помощью которого остановка автомобиля приводила к остановке пассажира. По сути, ремень безопасности создает силу, противоположную и равную силе кинетической энергии пассажира, останавливая его движение вперед.

Однако из-за внезапного приложения большой силы к небольшому участку ремень безопасности сам по себе может нанести травму (хотя это гораздо, гораздо меньшая опасность, чем непристегнутый ремень безопасности).

Использование подушки безопасности помогает в этом отношении, потому что, не уменьшая общую силу, действующую на тело, она оказывает одинаковое давление на все точки, соприкасающиеся с телом. Принцип знаменитого физика Блеза Паскаля гласит: Давление = сила/площадь.

p = F / A

Поскольку подушка безопасности максимально увеличивает площадь, с которой соприкасается человек, давление уменьшается, и, следовательно, сила резкого замедления с меньшей вероятностью может привести к травме.

Таким образом, сочетание ремня безопасности и подушки безопасности в конечном счете является оптимальным, поскольку они создают силы, необходимые для остановки пассажира, а также распределяют силы для сведения к минимуму травм от замедления.

Масса автомобиля

Из-за второго закона Ньютона и идеи о том, что сила равна массе, умноженной на ускорение, чем больше транспортное средство, тем больше вероятность того, что оно «выиграет» столкновение с другим транспортным средством.

Рассмотрим лобовое столкновение между транспортным средством массой 2000 кг и транспортным средством массой 1000 кг.

Если предположить, что они оба движутся с одинаковой скоростью, хотя и в противоположных направлениях, то сила большего транспортного средства вдвое превышает силу меньшего.

Это означает, что лобовое столкновение приведет к тому, что меньшее транспортное средство будет отброшено назад, или более крупное транспортное средство наедет на меньшее.

Поэтому транспортное средство большего размера будет замедляться медленнее. Меньшее транспортное средство не только будет очень быстро замедляться, но и более крупное транспортное средство может фактически раздавить его (в зависимости от относительной высоты оси).

Это показывает, почему масса транспортного средства обратно пропорциональна смертности в авариях, как показано на графике ниже. Чем тяжелее транспортное средство, тем меньше вероятность его столкновения с более тяжелым транспортным средством, а это означает, что вероятность «проиграть» столкновение снижается.

Оценка смертности водителей в одиночных автомобильных авариях в зависимости от массы транспортного средства

16–24 лет
25-34 года
> 35 лет

Смертельные случаи среди водителей и пешеходов

Масса транспортного средства в килограммах

Данные из «Науки о безопасности дорожного движения» Леонарда Эванса

Однако в этом есть смягчающие факторы, поскольку транспортные средства все больше разрабатываются таким образом, чтобы столкновения в меньшей степени зависели от веса.

Кроме того, благодаря использованию в автомобилях более современных материалов общая масса автомобиля уменьшилась. Однако, согласно принципам Ньютона, общее эмпирическое правило заключается в том, что более крупное транспортное средство с большей вероятностью «выиграет» столкновение, что приведет к меньшему количеству травм пассажиров в этом транспортном средстве.

Зоны деформации

Зоны деформации в автомобилях разрабатываются с учетом основных ньютоновских принципов. Одной из самых больших проблем при столкновении автомобиля с другим объектом является способность автомобиля отскакивать (т.е. врезаться в объект, замедляться до нулевой скорости, а затем ускоряться в противоположном направлении). Представьте, что машина врезается в стену, а затем отскакивает.

Это оказывает огромное воздействие на пассажиров автомобиля. В 1960-х и 1970-х годах производители автомобилей начали использовать ньютоновские принципы, чтобы определить, что для автомобиля оптимально деформироваться, а не оставаться неподвижным перед лицом столкновения.

Хотя смятая машина выглядит так, как будто она получила больше повреждений, на самом деле она использовала ньютоновские принципы для уменьшения силы.

Дополнительным понятием здесь является «импульс», который является мерой того, насколько импульс изменяется в результате действия силы, действующей на него в течение определенного периода времени. Формула импульса – это чистая сила, умноженная на время приложения силы.

I = F

x t

Поскольку импульс равен изменению импульса, объекту с 50 единицами импульса требуется 50 единиц импульса, чтобы остановить его. При столкновении импульс всегда будет оставаться одним и тем же. Однако увеличение времени столкновения напрямую уменьшает среднюю силу.

Зона деформации фактически увеличивает время столкновения, а значит, машине требуется больше времени для остановки. Это уменьшает силу на пропорциональное количество, тем самым снижая вероятность получения травмы.

Например, если время, необходимое для остановки, увеличивается в 100 раз с использованием зоны деформации, сила уменьшается в 100 раз, а это означает, что пассажиры имеют меньшее изменение импульса.

Это имеет серьезные последствия для безопасности пассажиров, а зоны деформации теперь являются стандартными для транспортных средств.

Таким образом, в конечном счете, работа Ньютона имеет отношение к изучению автомобильной безопасности из-за универсальности (и даже относительной простоты) его принципов.

Понимание того, как и почему взаимодействуют силы, позволяет производителям автомобилей предусмотреть способы смягчения их воздействия. Ключевым примером этого являются зоны деформации на автомобилях. По сути, это способ увеличить время остановки автомобиля в случае столкновения, тем самым уменьшив негативное воздействие сил на организм человека.

Свидетельством успеха и важности идей Ньютона является то, насколько они теперь кажутся такими простыми. Вот почему работа английского математика семнадцатого века имеет разветвления для проектирования подушек безопасности, зон деформации и других инновационных элементов автомобильной безопасности.

Есть ли источники для дальнейшего чтения?

https://ef. engr.utk.edu/hyperphysics/hbase/seatb2.html
https://www.physicsclassroom.com/class/momentum/Lesson-1/Real-World-Applications
http://web.physics.ucsb.edu/~lecturedemonstrations/Composer/Pages/36.27.html
https://www4.uwsp.edu/physastr/hinaus/Phys203/crumple_zone_lab.htm

The Physics of Racing Part 1: Weight Transfer

From: Dr. Brian Beckman’s The Physics of Racing

Поймите обоснование

Большинство автокроссовщиков и гонщиков в начале своей карьеры узнают о важности балансировки автомобиля. Научиться делать это последовательно и автоматически — важная часть того, чтобы стать по-настоящему хорошим водителем. В то время как навыки балансировки автомобиля обычно преподаются в автошколах, их обоснование обычно не объясняется должным образом. Это обоснование исходит из простой физики. Понимание физики вождения не только помогает стать лучшим водителем, но и увеличивает удовольствие от вождения. Если вы знаете глубинные причины, по которым вам следует делать определенные вещи, вы будете лучше их запоминать и быстрее двигаться к полному усвоению навыков.

Балансировка

Балансировка автомобиля — это контроль переноса веса с помощью газа, тормозов и рулевого управления. В этой статье объясняется физика переноса веса. Вы часто будете слышать, как тренеры и водители говорят, что при торможении вес смещается на переднюю часть автомобиля и это может вызвать избыточную поворачиваемость. Точно так же при ускорении вес смещается назад, вызывая недостаточную поворачиваемость, а при прохождении поворотов вес смещается в противоположную сторону, разгружая внутренние шины. Но почему вес смещается во время этих маневров? Как может смещаться вес, когда в машине все прикручено болтами и пристегнуто ремнями? Вкратце причина в том, что инерция действует через центр тяжести (ЦТ) автомобиля, который находится над землей, а силы сцепления действуют на уровне земли через пятна контакта шин. Эффект переноса веса пропорционален высоте центра тяжести над землей. Более плоский автомобиль с более низким центром тяжести управляется лучше и быстрее, потому что перенос веса не такой резкий, как в высоком автомобиле.

В оставшейся части этой статьи объясняется, как силы инерции и силы сцепления приводят к переносу веса в соответствии с законами Ньютона. Статья начинается с элементов и переходит к некоторым простым уравнениям, которые вы можете использовать для расчета переноса веса в любом автомобиле, зная только колесную базу, высоту центра тяжести, статическое распределение веса и гусеницу или расстояние между шинами поперек. машина. Эти цифры указаны в руководствах по ремонту и в большинстве журналистских обзоров автомобилей.

Законы Ньютона

Большинство людей помнят законы Ньютона из школьной физики. Это фундаментальные законы, применимые ко всем крупным вещам во Вселенной, например к автомобилям. В контексте нашего гоночного приложения это:

Первый закон: автомобиль, движущийся прямолинейно с постоянной скоростью, будет продолжать такое движение, пока на него не подействует внешняя сила. Единственная причина, по которой автомобиль на нейтральной передаче не будет ехать вечно, заключается в том, что трение, внешняя сила, постепенно замедляет автомобиль. Трение происходит от шин о землю и воздуха, обтекающего автомобиль. Тенденция автомобиля продолжать двигаться так, как он движется, является инерцией автомобиля, и эта тенденция сосредоточена в точке ЦТ.

Второй закон: Когда к автомобилю приложена сила, изменение движения пропорционально силе, деленной на массу автомобиля. Этот закон выражается знаменитым уравнением F = ma, где F — сила, m — масса автомобиля, а a — ускорение или изменение движения автомобиля. Большая сила вызывает более быстрые изменения в движении, а более тяжелый автомобиль медленнее реагирует на силы. Второй закон Ньютона объясняет, почему быстрые автомобили мощные и легкие. Чем больше у вас F и меньше m, тем больше a вы можете получить. Третий закон: Каждой силе, действующей на автомобиль со стороны другого объекта, например земли, соответствует равная и противоположная сила, действующая на объект со стороны автомобиля. Когда вы нажимаете на тормоз, вы заставляете шины прижиматься к земле вперед, а земля отталкивается назад. Пока шины остаются на автомобиле, земля, давящая на них, замедляет автомобиль.

Анализ торможения

Перенос веса при ускорении и прохождении поворотов — это просто вариации на тему. Мы пока не будем рассматривать такие тонкости, как подвеска и прогиб шин. Эти эффекты очень важны, но второстепенны. На рисунке показан автомобиль и действующие на него силы во время маневра торможения с ускорением. Один g означает, что общая тормозная сила равна весу автомобиля, скажем, в фунтах.

На этом рисунке черно-белая «круговая тарелка» в центре — это центр компьютерной графики. G — сила тяжести, притягивающая автомобиль к центру Земли. Это вес автомобиля; вес — это просто другое слово для силы тяжести. Это факт Природы, полностью объясненный только Альбертом Эйнштейном, что гравитационные силы действуют через центр тяжести объекта, точно так же, как и инерция. Этот факт можно объяснить на более глубоком уровне, но такое объяснение увело бы нас слишком далеко от темы переноса веса.

Lf — подъемная сила, действующая на переднюю шину со стороны земли, а Lr — подъемная сила на заднюю шину. Эти подъемные силы столь же реальны, как и те, которые удерживают самолет в воздухе, и они удерживают автомобиль от падения сквозь землю к центру Земли.

Мы не часто замечаем силы, которые земля воздействует на объекты, потому что они такие обычные, но они лежат в основе динамики автомобиля. Причина в том, что величина этих сил определяет способность шины прилипать, а дисбаланс между передними и задними подъемными силами приводит к недостаточной и избыточной поворачиваемости. На рисунке показаны только силы на автомобиль, а не силы на землю и центр тяжести Земли. Третий закон Ньютона требует, чтобы эти равные и противоположные силы существовали, но нас интересует только то, как земля и земное притяжение влияют на автомобиль.

Будь гонщиком! Забронировать

Если бы автомобиль стоял на месте или двигался накатом и его развесовка была 50 на 50, то Lf был бы таким же, как Lr. Всегда так, что Lf плюс Lr равняется G, весу автомобиля. Почему? Из-за первого закона Ньютона. Автомобиль не меняет своего движения в вертикальном направлении, по крайней мере, до тех пор, пока он не поднимется в воздух, поэтому общая сумма всех сил в вертикальном направлении должна быть равна нулю. G указывает вниз и противодействует сумме Lf и Lr, которые указывают вверх.

Торможение приводит к тому, что Lf превышает Lr. Буквально «задняя часть становится легче», как часто говорят гонщики. Рассмотрим переднюю и заднюю тормозные силы Bf и Br на диаграмме. Они толкают назад шины, которые толкают колеса, которые толкают детали подвески, которые толкают остальную часть автомобиля, замедляя его. Но эти силы действуют на уровне земли, а не на уровне ЦТ. Тормозные силы косвенно замедляют автомобиль, толкая его на уровне земли, в то время как инерция автомобиля «пытается заставить его двигаться вперед как единое целое на уровне центра тяжести».

Силы торможения создают тенденцию вращения или крутящий момент относительно центра тяжести. Представьте, что вы вытаскиваете скатерть из-под стаканов и канделябров. Эти объекты будут иметь тенденцию опрокидываться или переворачиваться, и эта тенденция тем больше для более высоких объектов, чем сильнее вы тянете ткань. Тенденция вращения автомобиля при торможении обусловлена идентичной физикой.
Тормозной момент действует таким образом, что автомобиль ставится на нос. Поскольку автомобиль на самом деле не поднимается на нос (мы надеемся), какие-то другие силы должны противодействовать этой тенденции согласно первому закону Ньютона. G не может этого сделать, так как проходит прямо через центр тяжести. Единственные силы, которые могут противодействовать этой тенденции, — это подъемные силы, и единственный способ сделать это — сделать Lf больше, чем Lr. В буквальном смысле земля сильнее давит на передние колеса во время торможения, чтобы автомобиль не опрокинулся вперед.

Если у вас есть значения ускорения в g, скажем, от G-аналитика или другого устройства, просто умножьте их на вес автомобиля, чтобы получить силы ускорения (второй закон Ньютона!).