Cuando un automóvil gira alrededor de un círculo, ¿por qué la fuerza de fricción estática apunta hacia el centro del círculo? [duplicar]

¿Por qué la fuerza lo empuja perpendicularmente a la dirección de la velocidad?

Esta es la explicación más intuitiva que se me ocurre:

Al girar las ruedas, el coche todavía quiere seguir recto. Debido a la inercia, el automóvil no solo se detiene, sino que quiere seguir adelante (el efecto se conoce como efecto centrífugo ).

Cuando giras las ruedas, para que ya no sigan el movimiento perfectamente, deberían deslizarse sobre el asfalto a medida que el automóvil avanza. Entonces ha causado un componente de velocidad perpendicular a las ruedas, en qué dirección no pueden girar, solo pueden deslizarse.

Pero el auto no comienza a deslizarse y quemar sus llantas de goma Goodyear (no sigue adelante sin cambios). La fricción estática evitará eso. Esa fricción estática tira de la rueda para oponerse a ese deslizamiento ( evitando cualquier componente de velocidad perpendicular ) para evitar que el automóvil se deslice y se deslice.

Recuerde que la fricción es siempre algo que trata de evitar un movimiento. Siempre actuará exactamente de manera opuesta al movimiento/velocidad que está tratando de detener, en este caso, exactamente opuesta al componente de velocidad perpendicular de la rueda.
Este rozamiento estático introducido será siempre perpendicular a la dirección de las ruedas. Cualquier componente paralelo de esta fuerza habría estado en la dirección de rotación de las ruedas, por lo que no detendría ni cambiaría el movimiento (pero solo mantendría las ruedas girando).

Y la aceleración siempre ocurre en la dirección de la fuerza (neta),$\vec F=m \vec a$.

Esta es la razón por; la manera intuitiva.

Si no está acelerando en la dirección de (desplazamiento hacia adelante), entonces la fuerza del motor es exactamente igual a las pérdidas aerodinámicas y por fricción (velocidad constante).

Para una velocidad dada, las fuerzas que las llantas deben ejercer sobre el automóvil para mantenerlo en un círculo aumentan para evitar que "se escape", y pueden visualizarse mediante un vector que apunta en dirección opuesta al centro del automóvil (la fuerza imaginaria/aparente). ', pero a veces conveniente, fuerza 'centrífuga' ).

Esto debe ser contrarrestado por una fuerza que 'tira' del coche hacia el centro, la fuerza centrípeta .

Te hice un dibujo:

Básicamente, la clave a tener en cuenta aquí es que las fuerzas netas DEBEN cancelarse a cero en todos los planos, o no es a una velocidad constante. Si las fuerzas delanteras/traseras fueran de magnitud desigual, el automóvil reduciría la velocidad o aumentaría su velocidad de avance; si los neumáticos no pudieran proporcionar la fuerza centrípeta para resistir salir disparados del círculo, el automóvil viajaría en línea recta o en forma de elipse dependiendo del volante, y si proporcionaran fuerza centrípeta adicional, el automóvil viajaría en forma de elipse cosa que comienza en el centro de la pista redonda.

Tenga en cuenta que es una práctica común en ciertos estilos de carreras, como los autos de F1, aumentar la resistencia aerodinámica y usarla para empujar el auto más contra el pavimento, usando así parte de la velocidad almacenada (fuerza provista por el motor) para aumentar el coeficiente. de fricción entre los neumáticos y la carretera, lo que permite más fuerza centrípeta que la que proporcionaría la gravedad. Esto crea escenarios interesantes en los que algunas curvas solo se pueden tomar hasta ~50 MPH donde las fuerzas aerodinámicas no son lo suficientemente altas, pero luego se navega nuevamente a 90-120 MPH (como un ejemplo suelto) donde la carga aerodinámica adicional permite que los neumáticos ejercer más fuerza centrípeta sobre el coche.

Primero necesitas saber sobre la fuerza centrífuga . Los objetos giratorios experimentan esta fuerza aparente. Si te sientas en el objeto giratorio, experimentarás esta fuerza, pero no puede ser experimentada por un observador externo y tan pronto como la rotación se detiene, esta fuerza se desvanece, por eso se llama fuerza ficticia .
En tu pregunta lo primero que hay que pensar es cómo el coche cambia de dirección para seguir una trayectoria circular. Es la flexión de las ruedas delanteras. Pero si no hay fricción entre las ruedas delanteras y la carretera, pero sí entre las ruedas traseras y la carretera, las ruedas delanteras simplemente resbalarían sin importar cuánto se doblen y el automóvil iría recto. Para evitar que las ruedas patinen y sigan la trayectoria curva, se necesita fricción entre las ruedas delanteras y la carretera. La fricción evita que las ruedas patinen y que el coche vaya en la dirección tangencial. Entonces, el automóvil se mueve en la dirección dada por la flexión de las ruedas delanteras.
Pero al mismo tiempo el coche gira. Experimenta la fuerza centrífuga que lo empuja directamente lejos del centro de la trayectoria circular. Entonces, nuevamente, la fricción es la principal razón para mantener el auto en el camino correcto. El rozamiento entre todas las ruedas y la calzada actúa en sentido contrario a la fuerza centrífuga, es decir, hacia el centro de la trayectoria circular. De esta manera, combinando todas las cosas que hace la fricción entre las ruedas y la carretera, ayuda al automóvil a seguir una trayectoria curva.

Cualquier cosa que intente dar vueltas en un círculo, recibe la acción de una fuerza radial, que llamamos fuerza centrífuga. Esta fuerza, siendo perpendicular a la velocidad de los objetos (aquí, es tu coche), actúa en la dirección exterior (radial).

Obviamente, para que el automóvil dé la vuelta al círculo, debe haber alguna fuerza externa para compensar la fuerza centrífuga, en ausencia de la cual, su automóvil será expulsado (piense en una carretera sin fricción/carretera helada). Esta fuerza es la fuerza de fricción proporcionada por las ruedas de su automóvil. Dado que la fuerza centrífuga intenta continuamente sacar el automóvil al exterior, la fuerza de fricción (o más bien, la fuerza de fricción estática) debe actuar continuamente apuntando hacia el centro del círculo (por definición, la fuerza de fricción siempre se opone al movimiento relativo de los objetos).

Otra forma de pensar en esto:

Si la situación es completamente libre de fricción, puede atar una cuerda al COM de su automóvil (no sé cómo) y enrollarlo en un poste en el centro del círculo que desea rodear. Esto también proporcionará la fuerza centrípeta necesaria para compensar la fuerza centrífuga, y aquí la fuerza centrípeta debe ser tensión en la cuerda.

Espero eso ayude.

La primera ley de Newton indica que el automóvil viajaría en línea recta a menos que una fuerza actuara sobre él. Cuando el automóvil gira, debe haber una fuerza que apunta hacia adentro. La única ubicación para que se genere la fuerza es desde los neumáticos en contacto con el suelo.

No sé por qué la fricción estática se lleva el crédito por hacer girar el automóvil.