¿Cómo se transfiere la potencia del motor a la energía cinética del automóvil?

La fricción solo proporciona el agarre. El par del motor hace el trabajo. Es lo mismo cuando empiezas a correr: tus piernas ejercen la fuerza y ​​la fricción evita que tus pies se deslicen hacia atrás.

El trabajo tiene dos definiciones diferentes pero equivalentes. Una es que es una fuerza aplicada a lo largo de una distancia, y la otra es que el trabajo es una transferencia de energía. Prefiero la segunda definición, ya que es un poco más clara en circunstancias como esta.

El automóvil acelera y, por lo tanto, claramente hay un aumento en KE. Pero, ¿se hizo el trabajo junto a la carretera? El camino está estacionario al igual que los neumáticos donde se encuentran con el camino, por lo que de acuerdo con la primera definición de trabajo, no hubo trabajo. Pero miremos más profundamente, la KE aumentó, entonces, ¿de dónde vino esa energía? Venía del combustible. Así que tampoco se hizo ningún trabajo por el camino de acuerdo con la segunda definición. La KE del automóvil aumentó y su PE disminuyó, por lo que la carretera no transfirió energía.

Encuentro que mirar la transferencia de energía ayuda a identificar el trabajo más fácilmente. Cuando saltas el suelo no te transfiere energía, la energía química cambia a KE y PE gravitacional. Cuando te deslizas por un tobogán sin fricción, el tobogán no transfiere energía, pero sí la gravedad. Analizar las fuerzas puede ser complicado, pero analizar la transferencia de energía lo es menos.

Si subdivide el automóvil en componentes separados, puede ver el trabajo que se realiza y la energía que se transfiere entre los componentes. La energía del combustible se convierte primero en energía mecánica en el cigüeñal. En ese punto hay una fuerza y ​​hay un desplazamiento, entonces ahí es donde primero se realiza el trabajo.

Ahora, la energía del cigüeñal es relativamente constante (ligera KE rotacional y aumento de la temperatura, pero mucho menor que la cantidad de energía del motor), entonces, ¿dónde deja esa energía de entrada al cigüeñal? Inmediatamente pasa al movimiento de rotación de la caja de cambios y luego a las ruedas. Finalmente, la rueda convierte el movimiento de rotación de los engranajes en un movimiento lineal. Esa fuerza lineal sube desde el parche de contacto hasta el eje donde finalmente se convierte en KE del automóvil.

El propósito del suelo no es hacer trabajo (no lo hace) sino convertir el movimiento de rotación en movimiento lineal. En ese sentido, es solo otra parte del tren de transmisión general.

Las ruedas ejercen una fuerza hacia atrás sobre el suelo, por lo que el suelo ejerce una fuerza hacia adelante sobre las ruedas. Eso es lo que nos dice actio = reactio.

Dado que el centro de la rueda está (en gran parte) estacionario en relación con el automóvil, el impulso (fuerza por tiempo) emitido desde el suelo debe enviarse al eje de la rueda. Aquí tenemos de nuevo el eje de la rueda empujando sobre el coche, y el coche empujando hacia atrás sobre el eje.

Dado que las dos fuerzas que el suelo y el automóvil ejercen sobre la rueda no se aplican en el mismo lugar, dan como resultado un par que intenta evitar que las ruedas giren. Nuevamente, este par es la reacción al par proporcionado por el motor (a través de la caja de cambios, obviamente).

Entonces, tenemos el par del motor que hace que la rueda empuje el suelo y el eje del automóvil. Cada fuerza es contrarrestada por una fuerza/par de reacción igual.

Ahora, echemos un vistazo a las energías. La energía es fuerza por distancia.

• El motor/engranajes/eje/ruedas giran mientras transfieren el par, por lo que tenemos trabajo entregado a través del tren de transmisión (trabajo = par multiplicado por el ángulo de rotación).

• El automóvil se mueve en el marco de referencia del suelo, por lo que la fuerza que ejerce el eje sobre el automóvil realiza trabajo sobre el automóvil.

• El suelo no se mueve, por lo que no se realiza ningún trabajo sobre él dentro de su marco de referencia.

Verá, mientras que la rueda empuja tanto el suelo como el automóvil, solo realiza trabajo en el automóvil, simplemente porque el automóvil puede moverse mientras el suelo está estacionario.

Si pusiera el automóvil en un remolque (uno de los remolques que se usan para transportar automóviles) y olvidara asegurar el freno del remolque, tratar de sacar el automóvil del remolque dispararía el remolque debajo del automóvil. En este caso, el "suelo" no sería estacionario, sino móvil y más ligero que el coche . Entonces, la fuerza que aplican las ruedas sobre el remolque haría que el remolque acelerara más rápido que el automóvil más pesado, que experimenta la fuerza opuesta. Como tal, las ruedas trabajarán en el remolque, mucho más trabajo que en el automóvil. Será el remolque el que se lleve la mayor parte de la energía que entrega el motor del coche. ¡Ah, y no intentes esto en casa !

No veo cómo la potencia entregada a las ruedas se convierte en energía cinética del automóvil sin que la fricción haga trabajo.

Las fuerzas no tienen que hacer trabajo.

Imagina un resorte comprimido con una masa. El resorte comprimido tiene un poco de energía. Cuando soltamos el resorte, puede acelerar (realizar trabajo) sobre la masa. Esto parece bastante simple.

Pero para que la masa se mueva hacia la derecha, el resorte debe mantenerse en su lugar. Eso significa que la pared proporciona la fuerza que mueve la masa. Hace (casi) cero trabajo, pero sin la pared, el resorte tampoco podría hacer trabajo sobre la masa.

En el caso del resorte, las fuerzas de ambos extremos; y en el caso del automóvil, la fricción de la carretera es lo que acopla o une las dos masas. Permite que la energía en el sistema haga trabajo al separar las masas.

Entonces, la potencia del motor entregada al eje crea una fuerza en el automóvil (hacia adelante) y el suelo (hacia atrás). El automóvil está tratando de realizar trabajo en ambos (pero debido a que la masa del suelo es tan grande, generalmente ignoramos la minúscula cantidad que se puede realizar y suponemos que todo el trabajo se realiza en el automóvil).