Física detrás de patinaje de ruedas

Es difícil hacer que las ruedas patinen a altas velocidades porque estás en una marcha más alta, por lo que la torsión en las ruedas es menor. Así que supongo que solo está preguntando sobre el giro de las ruedas en la primera marcha, es decir, es bastante fácil hacer girar las ruedas cuando se aleja en la primera marcha, pero es mucho más difícil si, por ejemplo, viaja a 10 mph en la primera marcha.

La razón es que si estás parado y sueltas el embrague, el momento angular del motor contribuye al par. Es decir, el par en las ruedas es el par del motor más el par del momento angular almacenado en el volante, el cigüeñal, etc. la velocidad del motor El par extra viene dado por:

dónde$I$es el momento de inercia de las piezas giratorias del motor y$\omega$es la velocidad del motor, entonces$d\omega/dt$es la tasa de cambio de la velocidad del motor. Si suelta el embrague, la velocidad del motor cambia rápidamente para que$d\omega/dt$es grande y el par extra es grande. Si sueltas el embrague$d\omega/dt$es pequeño, por lo que el par adicional es pequeño y las ruedas no patinarán.

Cuando conduce a (p. ej.) una velocidad constante de 10 mph, la velocidad del motor coincide con la velocidad de la rueda, por lo que si ahora pisa repentinamente el acelerador, solo el par del motor está disponible para hacer girar las ruedas. No recibes la contribución de$d\omega/dt$.

Para ver esto, intente conducir a 5 mph, luego suelte el embrague, acelere el motor y suelte el embrague. A medida que el embrague muerde, las ruedas girarán tal como lo hacen cuando el automóvil está parado.

Vale la pena señalar que un automóvil potente puede hacer girar las ruedas en primera incluso sin jugar con el embrague. De hecho, un viejo auto deportivo que tuve hace muchos años hacía girar las ruedas en segunda marcha en seco y en tercera marcha si la carretera estaba mojada.

El motor del automóvil solo puede controlar la aceleración angular proporcionada a las ruedas. Cuanto más presionas el acelerador, mayor es la aceleración angular de las ruedas.

Es responsabilidad de la fricción convertir la aceleración angular de las ruedas en aceleración lineal del automóvil.

Ahora considere una rueda de radio$r$, girando con una aceleración angular$\alpha$. Si no hay deslizamiento, eso significa que la rueda se mueve hacia adelante con una aceleración lineal de$\alpha r$. y si la masa del carro es$m$, eso significaría que debe haber fricción de cantidad$m\alpha r$actuando sobre el coche. Sin embargo, si esta cantidad es mayor que lo que el suelo puede soportar, las ruedas patinarán.

La tracción (la fricción entre un cuerpo en movimiento en relación con la superficie) juega un papel importante aquí, porque una o más llantas del automóvil pierden tracción y provocan que las ruedas patinen (es decir) el automóvil sigue deslizándose hasta que alcanza una tracción estable . Esto se explica mejor a través del Esfuerzo de tracción inicial . Es un factor importante al que se le da una mayor prioridad en Ingeniería Ferroviaria. ¡Usan "Deslizamiento de rueda de locomotora" en lugar de nuestro "Giro de rueda"...!

Esto se debe a que el peso de un automóvil es demasiado para tirar de inmediato en un período de tiempo determinado (es decir, también se debe tener en cuenta la relación potencia-peso). Pero es menos para vehículos y excelente para locomotoras y se calcula utilizando el peso en vacío de los vehículos.

Condiciones de la superficie: este deslizamiento es más común en invierno porque el coeficiente de fricción es demasiado bajo para lubricantes como agua, aceite, grasa, lodo, etc. Por lo tanto, el agua más fría entre la carretera y los neumáticos evita que se adhieran a la carretera. De manera más específica, los diferenciales proporcionan suficiente torque para que las ruedas patinen. ¡ Algo similar se aplica al disco de hockey sobre hielo...!

La inercia de movimiento también juega aquí, porque la inercia del motor y la rueda reguladora (Flywheel) está a RPM más altas que el engranaje que intenta llevar el eje de transmisión del vehículo pesado a la misma velocidad, partiendo en reposo. .! (lo que hace la situación más complicada...)

Podrías ver esto en las carreras Drag más comunes y se llama Burnout donde esos corredores sueltan el embrague y aceleran mientras mantienen los frenos. Incluso usan pistas mojadas reservadas como cajas de Burnout para probar su estilo libre . Pero, la única diferencia es que esos tipos lo están haciendo con un propósito, mientras que aquí - ¡Sucede cuando no tienes experiencia con respecto a esto...!

Nota: Votantes negativos: ¡Por favor inserte comentarios ..!

El deslizamiento ocurre cuando la fuerza aplicada para mover el automóvil es mayor de lo que puede resistir la fricción entre la rueda y el suelo. Se necesita fricción para evitar que la rueda se deslice.

Hay una diferencia entre fricción estática y cinética. Siempre que las ruedas no resbalen, el punto de contacto es estacionario con respecto al suelo y se aplica fricción estática. Una vez que las ruedas patinan, el punto de contacto realmente se mueve sobre el suelo, es decir, la fricción cinética. Mientras el punto de contacto está estacionario, la fuerza aplicada coincide exactamente con la fuerza de fricción, hasta el punto en que la fuerza es mayor que la fricción máxima posible entre el neumático y el suelo.

La fricción cinética es más baja que la fricción estática, por lo que, una vez que la fuerza aplicada es suficiente para superar la fricción, la fuerza requerida cae, lo que facilita aún más el giro de las ruedas. En ese punto, debe reducir significativamente la fuerza para detener el deslizamiento.

Si reduce la fricción (por ejemplo, en hielo), el deslizamiento es mucho más fácil, pero se aplican las mismas reglas. Las mismas reglas también se aplican en la situación inversa, cuando estás frenando. Si aplica demasiada fuerza, las ruedas se bloquearán y entrará en fricción cinética. En ese momento, debe soltar los frenos y volver a intentarlo. Esto es lo que hacen los sistemas ABS automáticamente, de ahí el "traqueteo" cuando frena con fuerza.

Puede encontrar más información sobre la fricción estática y cinemática aquí.

Hay dos cosas que limitan la tracción máxima (F) de un automóvil. Uno viene dado por la fórmula de fricción, F = μR (Tracción = coeficiente de fricción x peso del automóvil), por encima de la cual las ruedas comienzan a patinar. La otra es la ecuación de potencia. P = Fv o F = P / v (Tracción = potencia / velocidad), que el motor no tiene la potencia suficiente para superar. Tenga en cuenta que la tracción máxima debida a la ecuación de fricción no depende de la velocidad, mientras que la tracción máxima debida a la ecuación de potencia se reduce cuanto más rápido vaya. Debido a esto, la ecuación de fricción (giro de las ruedas) limita la tracción máxima a velocidades bajas, mientras que la potencia del motor limita la tracción máxima a velocidades altas.