¿En qué dirección sale el barro del neumático de una bicicleta en movimiento y por qué?

Si una bicicleta se mueve a través de un área embarrada, el barro se acumula en sus llantas. Entonces el barro sale volando de los neumáticos.

¿Qué fuerzas actúan sobre él? ¿En qué dirección sale volando?

En mi examen de física, escribí que vuela a una velocidad tangencial en ese punto, pero se marcó como incorrecto.

en realidad, no es un duplicado, sino relacionado.
No, lo comprobé antes de preguntar, es diferente.

Respuestas (3)

Probablemente se esperaba que notara que la trayectoria de cualquier punto del neumático es una cicloide . En el punto de contacto con el suelo, el neumático no se mueve. A medida que se eleva del suelo, se mueve más rápido, con una velocidad que es v ( 1 + pecado ⁡ θ ) dónde v es la velocidad de la bicicleta y θ se mide en sentido antihorario desde la horizontal. La fuerza centrífuga aumenta a medida que θ disminuye de 270 ∘ y en algún momento supera la fuerza de la unión a la rueda. Cuando se suelte debe tomar la velocidad tangencial de ese punto de la rueda, que no es lo mismo que la velocidad de la bicicleta.

¿No le afecta la fuerza centrípeta o cualquier otra fuerza?
En el momento en que el lodo se suelta, la fuerza centrípeta coincide con la fuerza centrífuga, eso es lo que elige el momento de la liberación.

Es porque no hay ninguna fuerza actuando sobre el lodo que sigue girando con el neumático que sale volando. En cualquier punto que se desprenda el lodo, viajará tangente al neumático al principio y luego seguirá una parábola debido a la gravedad terrestre.

Lo más probable es que la mayor cantidad de lodo suelto salga primero y, en ese punto, la dirección tangencial del neumático apunte directamente a sus ojos. Si hubiera la misma probabilidad de que el lodo se soltara alrededor de la llanta, entonces sería lanzado hacia adelante y hacia arriba o hacia abajo con la misma probabilidad.

La velocidad tangencial del neumático en función del ángulo de azimouth (ángulo de posición) θ es

[ v X , v y ] = [ v ( 1 − porque ⁡ θ ) , − v pecado ⁡ θ ]
dónde v es la velocidad de la bicicleta y θ = 0 está en el punto de contacto moviéndose CCW para un ángulo positivo. Curiosamente, la aceleración siempre apunta hacia el centro del neumático con magnitud v 2 / r . Por lo tanto, la fuerza de adherencia necesaria para mantener el barro en la llanta es constante a lo largo de la llanta, a menos que la bicicleta también esté acelerando.

Si la bicicleta está acelerando con v ˙ , luego defina la aceleración adimensional como α = v ˙ v 2 / r y puede encontrar que la aceleración máxima de la superficie del neumático ocurre en

θ = 3 π 2 − arcán ⁡ ( α )
con magnitud de aceleración máxima
v ˙ = v 2 r ( 1 + 2 α 2 + 2 α 1 + α 2 )
Esto corresponde a un área cerca de donde el neumático desciende antes de hacer contacto. Pero si la bicicleta está desacelerando, la aceleración máxima está en θ = π 2 − arcán ⁡ ( α ) que es cuando el neumático apenas deja el suelo. Por lo tanto, es más probable que lo rocíen con lodo cuando frene con fuerza.

Gracias por la explicación (lo entendí un poco ya que no he estudiado esa física alta). Solo necesitaba la respuesta corta, que diste al principio. ¡Gracias!
No estoy de acuerdo con este análisis. La velocidad lineal de un punto en la rueda varía desde cero en el suelo hasta el doble de la velocidad de la bicicleta en la parte superior. El lodo se acelera durante el recorrido de abajo hacia arriba y se expulsa cuando la fuerza adhesiva es menor que la aceleración lineal local. Eche un vistazo a la camiseta de cualquier ciclista en un día lluvioso y verá una línea de barro arrojada aproximadamente 3 * pi/4 en el camino "hacia arriba". Cualquier lodo que quede atascado en la parte superior de la rueda permanecerá allí, ya que la aceleración lineal disminuye a partir de ahí.
Por favor, si puede dar una mejor explicación (que sea más fácil de entender para los estudiantes de secundaria, o un poco más arriba), déla como respuesta. Gracias.
Está confundiendo el hecho de que el lodo que es más probable que se desprenda (lodo suelto) se desprenderá primero, y el lodo que está incrustado en las bandas de rodadura permanecerá adherido por mucho más tiempo. El maillot de los ciclistas está allí para atrapar solo el barro de ese lugar. El barro arrojado desde la parte superior no caerá sobre el ciclista.
@CarlWitthoft el vector de aceleración es
[ v ˙ X v ˙ y ] = [ − v 2 r pecado ⁡ θ + v ˙ ( 1 − porque ⁡ θ ) v 2 r porque ⁡ θ − v ˙ pecado ⁡ θ ]
Tome la magnitud y vea que es constante cuando la bicicleta no acelera v ˙ = 0 , con ‖ a ‖ = v 2 r .

La fuerza centrífuga es la fuerza del neumático que hace que el lodo salga volando y viajará en la dirección opuesta a la que se mueve la rueda. Entonces, si la rueda lo impulsa hacia el norte, la fuerza centrífuga enviará el lodo hacia el sur.

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