Fuerza necesaria para conducir un coche

Por lo que sé de la mecánica newtoniana, si un objeto se mueve a una velocidad constante, la fuerza neta que actúa sobre ese objeto es igual a cero. Si hay fricción, entonces la fuerza aplicada requerida para mantener una velocidad constante es igual a la magnitud de la fuerza de fricción, independientemente del valor real de la velocidad.

Ahora supongamos que un automóvil circula por una carretera a una velocidad constante de 10 km/h, y la fuerza de fricción que actúa sobre el automóvil tiene una magnitud de 4000 N. La fuerza aplicada [de los motores] requerida para mantener la velocidad es también, por tanto, 4.000 N [ya que la fuerza neta es igual a cero]. Si el automóvil viaja por la misma carretera a una velocidad constante de 100 km/h, nuevamente, se requeriría la misma cantidad de fuerza aplicada de los motores para mantener la velocidad sin aceleración: 4000 N, ya que esto "anula" la fuerza de fricción y, según la segunda ley de Newton, la velocidad no cambia.

Si moverse a dos velocidades constantes diferentes, 10 km/h y 100 km/h, sobre la misma superficie requiere la misma fuerza aplicada constante generada por los motores, entonces, ¿por qué moverse a 100 km/h consume más gasolina?

Está suponiendo que la fuerza que se opone al automóvil es una constante de 4000 N, en realidad, cuando acelera, varios factores diferentes afectarán esta fuerza, como una mayor resistencia del aire. Sin embargo, probablemente esta no sea la respuesta completa, investigaré.
Mira esto: physics.stackexchange.com/questions/12128/… Básicamente estás haciendo la misma pregunta.
@Pranav Creo que Johny no estaba preguntando esto desde un punto de vista práctico, sino desde un punto de vista teórico. La pregunta que vinculó anteriormente se refería a los detalles técnicos del automóvil, a diferencia de esta pregunta.
@JohnyDiala: " Si hay fricción, entonces la fuerza aplicada requerida para mantener una velocidad constante es igual a la magnitud de la fuerza de fricción ". - ¿Estás seguro de que es solo la magnitud de la fuerza que debería ser igual?
Esta pregunta es un caso de libro de texto de crear el modelo más simple posible para un sistema complejo, por analogía , y luego tratar de razonar sobre el comportamiento del sistema complejo razonando sobre el modelo como si fuera un hecho. Un automóvil no es un solo objeto sólido que se mueve a través del espacio, y no se aceleró por alguna fuerza externa que le dio un "empujón" rápido.
@SJuan76 De acuerdo. Eliminé el comentario.

Respuestas (6)

En un vacío perfecto, en una carretera sin fricción, simplemente podrías apagar el motor y el auto seguiría moviéndose, sin disminuir la velocidad. Sin embargo, en el mundo real, existen varios efectos que ejercen una fuerza sobre un automóvil en movimiento, ralentizándolo, como:

  • arrastre rodante entre los neumáticos y la superficie de la carretera,
  • arrastre fluido del aire a través del cual se mueve el automóvil, y
  • Varias pérdidas por fricción entre las partes móviles del propio automóvil que, a menos que se compensen con la potencia del motor, hacen que las ruedas disminuyan la velocidad y ejerzan un par en el lecho de la carretera, lo que reduce la velocidad del automóvil.

Para mantener un automóvil en movimiento a una velocidad constante, el motor debe ejercer suficiente fuerza para equilibrar todas estas fuerzas.

Lo importante a tener en cuenta aquí es que, a altas velocidades, la principal fuerza que frena el automóvil es en realidad la resistencia del fluido , que crece aproximadamente en proporción al cuadrado de la velocidad. Así, para duplicar la velocidad, el motor necesita ejercer cuatro veces más fuerza. (Al menos, eso se mantiene aproximadamente a velocidades normales de autopista. Las cosas se vuelven aún más interesantes cuando te acercas a la velocidad del sonido y la resistencia de las ondas comienza a desempeñar un papel).

Debido a esto, minimizar el coeficiente de arrastre es una característica crítica del diseño de automóviles de alta velocidad y es la razón por la que esencialmente todos los automóviles modernos (pero especialmente los modelos de alta velocidad) presentan formas aerodinámicas diseñadas para minimizar el arrastre aerodinámico.

Además, como señala Sachin Shekhar en su respuesta, la resistencia al rodamiento de las ruedas neumáticas también depende en cierta medida de la velocidad, principalmente porque las ruedas son flexibles y, por lo tanto, se deforman a medida que giran, perdiendo energía en forma de calor. Estas pérdidas también aumentan con la velocidad, lo que significa que, incluso en el vacío, mantener una velocidad más alta aún requiere más potencia. En principio, podría minimizar estas pérdidas haciendo que tanto las ruedas como la superficie de la carretera sean lo más duras e inflexibles posible; por ejemplo, haciéndolos de acero, como se hace con los trenes, que también minimizan la resistencia aerodinámica por su forma larga y estrecha. . Esa es una de las razones por las que los trenes pueden viajar a velocidades considerablemente más altas de lo que sería práctico mantener para un automóvil.

(Por supuesto, para reducir aún más la resistencia, podría poner alas en el automóvil y hacer que vuele muy por encima de la carretera , eliminando por completo la resistencia rodante y reduciendo significativamente la resistencia del fluido debido a la menor presión del aire en la atmósfera superior. O, incluso mejor , ve aún más alto donde el aire es aún más delgado.)

¡Finalmente, alguien que leyó la pregunta OP!
La fuerza aumenta con el cuadrado de la velocidad. La energía es fuerza por distancia y la distancia varía con la velocidad, por lo que la potencia requerida varía con el cubo de la velocidad.

Te equivocas al suponer una fricción constante. La fricción de rodadura aumenta cuando aumenta la velocidad del automóvil (vea las fórmulas en la parte inferior).

Además, la resistencia aerodinámica aumenta con el cuadrado de la velocidad (consulte la fórmula en la parte inferior).

Por lo tanto, a mayor velocidad, el motor del automóvil necesita contrarrestar la mayor fricción de rodadura y la resistencia del aire para mantener esa velocidad.

Si bien la razón anterior es adecuada, debo agregar esto: a mayor velocidad, el automóvil necesita realizar más trabajo por unidad de tiempo. A 10 km/h, si los neumáticos están a x RPM, los neumáticos deben girar a, digamos, 10x RPM para mantener los 100 km/h. Entonces, los motores están haciendo 10 veces más trabajo por unidad de tiempo a 100 km/h.

Pero, la fricción de rodadura y la resistencia del aire (las fuerzas más dominantes entre todas las resistencias aquí) están en el centro del problema. En un entorno de vacío y sin fricción, por ejemplo, puede apagar el motor a 10x RPM y permanecerá a 10x RPM.

Aquí está la fórmula de la fricción rodante.

F r = C r norte

Dónde C r es el coeficiente de fricción de rodadura (adimensional) y norte es la Fuerza Normal aplicada por carretera que es igual al peso del automóvil.

Ahora, el coeficiente de fricción de rodadura aumenta con la velocidad del automóvil, lo que resulta en un aumento de la fricción de rodadura.

Por ejemplo, los coeficientes de fricción de rodadura para neumáticos en carreteras secas se pueden calcular con

C r = 0.005 + 1 pag ( 0.01 + 0.0095 ( v 100 ) 2 )

dónde pag es la presión de los neumáticos y v es la velocidad

Aquí está la fórmula de arrastre aerodinámico del automóvil..

F a = A / 2 × C d × D × v 2

dónde A es la zona frontal del coche, C d es el coeficiente de arrastre, D es la densidad del aire, y v es la velocidad

Nota: el peso del automóvil disminuye cuando se quema la gasolina, lo que contribuye a la disminución de la fricción de rodadura y la inercia (Rocket Science), pero las fuerzas de resistencia ganan en gran medida.

Gracias, esa es una respuesta adecuada para mi pregunta en particular. Sin embargo, ¿cómo se puede explicar este fenómeno de manera más amplia para situaciones distintas a la fricción por rodadura? ¿En situaciones de carrera, por ejemplo (variación entre la energía utilizada mientras se ejecuta a dos velocidades constantes diferentes)? Además, el coeficiente de fricción no suele ser una constante (expresada como μ); un valor escalar adimensional entre 0 y 1 que es una propiedad material?
@Johny Si tus zapatos no se resbalan, eso es fricción estática. Para los zapatos deslizantes, estaría involucrada la fricción dinámica. Hay varios tipos de fricciones con conceptos ligeramente diferentes. Todo se puede calcular, pero no existe una solución genérica para resolverlo todo.
El coeficiente de fricción de @Johny Rolling no es una constante si calcula en un nivel preciso que es importante para su situación. También puede ver que quemará más gasolina con la presión de los neumáticos baja. ¿Alguna otra pregunta?
@JohnyDiala: Mientras corres, pierdes mucha más energía debido al golpe de los huesos entre sí y porque los músculos disipan energía continuamente. Echa un vistazo a esto .
La resistencia del aire y la resistencia del tren de transmisión también son factores importantes (por ejemplo, de este último, rodar en punto muerto en comparación con rodar en una marcha; es por eso que reducir la velocidad es un medio eficaz para reducir la velocidad del automóvil y producirá una resistencia significativamente mayor). que la resistencia del aire o la fricción de rodadura).
"Entonces, los motores están haciendo 10 veces más trabajo por unidad de tiempo a 100 km/h" - ¿qué? ¿Por qué asume que el trabajo necesario para mantener ciertas RPM de la llanta es proporcional a las RPM?
-1 para ignorar la resistencia del aire
@ user2357112 Solo una imagen aproximada para mostrar la cosa.
@ChrisW No creo que la resistencia del aire tenga un efecto significativo sobre la fricción de rodadura.
@SachinShekhar Depende de la velocidad. A velocidades más altas se convierte en la fuerza dominante .
@Johny También agregó Air Drag, que debería ser más evidente a mayor velocidad.

¡Has ignorado la fricción del coche con el aire! Si asumimos que el automóvil es un cuerpo aerodinámico (el aire fluye suavemente sobre la superficie del automóvil y no se separa), entonces la fricción del aire en el automóvil es proporcional al cuadrado de la velocidad del automóvil.

Respuesta teórica

Considere que usted viajó en su automóvil a las 10   k metro / h durante una hora, luego en 100   k metro / h para la próxima hora.

  • Primera hora del viaje : recorrió una distancia de 10 km, por lo que el trabajo realizado es

    W = F × s = 10 F

  • Segunda hora del viaje : Recorriste una distancia de 100 km, por lo que el trabajo realizado es

    W = F × s = 100 F

El trabajo realizado es mayor cuando se viaja a 100 km/h durante el mismo período, por lo que la energía consumida es mayor cuando la velocidad es de 100 km/h. Se necesita quemar más combustible para proporcionar la energía y mantener la velocidad constante en 100 k metro / h durante el mismo tiempo (una hora), que en 10 k metro / h .

Otro enfoque

También se puede expresar de la siguiente manera. Cuando el automóvil se mueve a 10 km/h, tiene menos k mi que cuando se mueve a 100 km/h. Pero las fuerzas de resistencia (fricción, arrastre de forma, etc.) aumentan con el aumento de la velocidad. Entonces, las fuerzas de resistencia son menores en el automóvil a 10 km/h. Por lo tanto, causan menos retraso en él, por lo tanto, se pierde menos energía y el motor del automóvil necesita reemplazar menos energía. Pero cuando el automóvil se mueve a 100 km/h, más fuerza de fricción da como resultado una mayor sustracción de velocidad, por lo tanto, se pierde más energía y se necesita quemar más combustible para suministrar y reemplazar la "energía perdida".

Nota : No he considerado varios otros factores responsables. Lo que quería señalar es que incluso si la fuerza de fricción es la misma en ambos casos, la energía consumida no lo es . Quizás esto era lo que había pedido el OP. Consulte las respuestas de Sachin e Ilmari para obtener un enfoque más práctico.

Esta respuesta es simplemente incorrecta sin el uso de la fricción de rodadura. Si los neumáticos patinan, no habrá tanto desplazamiento a pesar del mismo consumo de energía. Ignoraste el corazón del problema.
@SachinShekhar No he mencionado la fricción de rodadura porque lo que el OP simplemente preguntó fue: "¿por qué moverse a 100 km/h consume más gasolina?"
No creo que lo hayas respondido.
@ThePragmatick: ¿Por qué no dice cuál es la fuerza requerida para conducir el automóvil, según lo que pregunta el OP?
El OP habla específicamente de velocidades constantes ; tu respuesta necesita otra pregunta.
Agregué un término general de fuerzas de resistencia que representaba todas las fuerzas de contacto resistentes como la resistencia del aire, la fricción, el arrastre, etc.

Tienes razón

Por la segunda ley de Newton

  F = metro ( v − tu ) / t

Una vez que haya alcanzado la velocidad de

  100 metro / s
Solo necesita suministrar la fuerza para contrarrestar la fricción. Pero alcanzar esta velocidad requiere más fuerza y, por lo tanto, más energía.

Podemos concluir que circular por la misma carretera a una velocidad constante de cualquier magnitud no requiere más energía.

Sea la fuerza aplicada F y la fuerza de rozamiento sea F la fuerza restante sea norte

  norte = F − F

la fuerza restante debe ser 0 la velocidad del coche no aumenta más da F = F lo que confirma que la fuerza debe ser igual a la fuerza de fricción para mantener una velocidad constante.

Requiere gasolina solo para alcanzar esta velocidad. Después de alcanzar esta velocidad, la cantidad de gasolina utilizada por ambos autos es la misma.

Agregando lo que dice @wgrenard, no perderías la gasolina por recorrer idénticas distancias. Pero el caso es ideal, sin resistencia del aire, los vehículos deben haber alcanzado las velocidades constantes.

"Podemos concluir que circular por la misma carretera a una velocidad constante de cualquier magnitud no requiere más energía". Pero lo hace. Mantener una velocidad constante mayor requiere más energía que mantener una velocidad constante más baja.
@wgrenard y cómo? en base a qué ? despreciar la resistencia del aire
imakesmalltalk lo explica en su respuesta. El trabajo requerido para mantener una velocidad constante durante un tiempo determinado aumenta con el aumento de la velocidad.
@PranavHosangadi He considerado su opinión en la pregunta. Espero que sea útil.
@wgrenard ¿Cómo puede ser posible? Tengo que proporcionar la misma fuerza para ambos autos. el par que debe proporcionar el motor es el mismo. y también las rpm... no veo ningún trabajo extra por hacer en ninguna parte.
El trabajo extra viene no porque estés aplicando más fuerza. Estamos de acuerdo en que (despreciando factores como la resistencia del aire), la magnitud de la fuerza aplicada en ambas situaciones es la misma. Más bien, el trabajo adicional aparece porque durante un período de tiempo determinado está aplicando esa fuerza en una distancia mayor (porque viaja más lejos en la misma cantidad de tiempo a una velocidad más alta). Esta es la razón por la que se necesita más trabajo para mantener una velocidad más alta en comparación con una velocidad más baja durante un período de tiempo idéntico.

potencia = fuerza × velocidad por lo que a 10 km/h, la potencia es de 4000 N × 10 km/h mientras que a 100 km/h, la potencia es de 4000 N × 100 km/h de esta manera el combustible se consumirá aproximadamente 10 veces más rápido a 100 km /h que a 10 km/h

Fuerza necesaria para conducir un coche
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