potencia = fuerza multiplicada por la velocidad del objeto, ¿qué pasa si el objeto es "abstracto" como el "parche de contacto" de un neumático?

Considere el caso de una motocicleta que acelera, el motor convierte la energía potencial en energía mecánica que se utiliza para generar un par de fuerzas de la tercera ley de Newton en el parche de contacto del neumático trasero, una fuerza hacia atrás ejercida desde el parche de contacto sobre el rugido, coexistiendo con un fuerza de avance ejercida por la carretera sobre la zona de contacto. Para simplificar las cosas, suponga que no hay pérdidas en el proceso, ni arrastre, ni resistencia a la rodadura, etc., de modo que cualquier disminución en PE (energía potencial química del combustible/batería) termina como un aumento en KE (energía cinética) .

El objeto "abstracto" en este caso es la zona de contacto del neumático trasero. Aunque no hay movimiento relativo entre la superficie del neumático y la carretera en la zona de contacto (fricción estática), la zona de contacto en sí se mueve a la misma velocidad que la motocicleta (ignorando las deformaciones relacionadas con la carga). Esto es más fácil de visualizar si usa el centro del área del parche de contacto como la posición instantánea del parche de contacto.

El camino no puede generar energía, pero el punto de aplicación de la fuerza que el camino ejerce sobre el parche de contacto se mueve con la misma velocidad que la motocicleta. Entonces, la potencia podría expresarse como la fuerza ejercida por la carretera multiplicada por la velocidad del punto de aplicación de esa fuerza, la zona de contacto, que es la misma que la velocidad de la motocicleta (suponiendo una carretera plana).

La carretera tampoco puede realizar trabajo, pero la suma integral de la fuerza (frente a la posición del parche de contacto) multiplicada por la distancia que se mueve el parche de contacto podría usarse para calcular el "trabajo" realizado que se originó en el motor.

Hice un replanteamiento en esto. Potencia = fuerza ejercida sobre la motocicleta · velocidad de la motocicleta. El hecho de que la carretera no se mueva no afecta la capacidad de la carretera para ejercer una fuerza sobre la motocicleta en movimiento, porque aplica la fuerza a la zona de contacto del neumático, donde la banda de rodadura no se mueve con respecto a la carretera, pero se mueve con el negativo de la velocidad de la motocicleta con respecto a la motocicleta. Debido al movimiento de rodadura y al par del motor, el neumático y la rueda de la motocicleta transmiten la fuerza de la carretera al eje de la rueda trasera con la misma fuerza de la carretera ya la velocidad de la motocicleta. La carretera podría considerarse como parte de la secuencia de transmisión de potencia que utiliza la potencia del motor para acelerar la motocicleta.

En este caso, la velocidad del parche de contacto es la misma que la velocidad de la motocicleta, pero considere un tambor acelerado angularmente por un neumático que gira; en este caso, el parche de contacto no se mueve, pero la superficie del tambor sí. El tambor podría reemplazarse con un cable que se enrolla entre dos carretes, de modo que la aceleración del cable en el punto de contacto sea lineal. En este caso, el parche de contacto no se mueve y potencia = fuerza ejercida sobre el cable · velocidad del cable.

El hecho de que la superficie del neumático no se mueva con respecto a la carretera en la zona de contacto es la razón por la que una carretera sin movimiento puede aplicar una fuerza a una motocicleta en movimiento.

Entonces, a lo que me refiero como un objeto abstracto es solo una forma de referirme a algo que se mueve a la misma velocidad que el objeto al que se aplica la fuerza, y fue mi intento de lidiar con el movimiento de balanceo de la llanta trasera en el caso de la motocicleta.

El punto de aplicación de la fuerza en la zona de contacto tiene consecuencias, como un caballito si la aceleración es suficiente.

Desde el punto de vista de la física estricta, la interfaz entre el neumático y la carretera convierte la potencia angular (torque multiplicado por la velocidad angular) en potencia lineal (fuerza x velocidad lineal), por lo que no se realiza ningún trabajo neto. Sin embargo, es una práctica común indicar cuál es la potencia de la rueda trasera para una motocicleta, y esto se puede calcular como fuerza por velocidad. Esto se puede hacer usando un dinamómetro de chasis, pero también es posible determinar la fuerza a través de sensores de par (transductores), lo que permite determinar la potencia de la rueda trasera en tiempo real mientras conduce, y algunos ciclistas compran el equipo que incluye sensores de par y registro de datos. para sus bicicletas de pista (carreras).

Se aplica potencia a las llantas, y la fricción de las llantas en la carretera aplica esa potencia al automóvil. Tenga cuidado con el objeto que selecciona cuando usa ecuaciones de potencia.
¿Estás seguro de que el parche de contacto se mueve en relación con la carretera? su velocidad es cero en la parte inferior del neumático y el doble de la velocidad en la parte superior
¿Qué quiere decir con "para que cualquier disminución en PE (energía potencial) termine como un aumento en KE (energía cinética)"? ¿Tu motocicleta está bajando una colina o algo así? Si se está ejecutando en una superficie nivelada, no hay cambio en la energía potencial, entonces, ¿qué pasa? ¿Estás hablando de la energía potencial química del combustible?
@Wolphramjonny: esto es diferente a un punto en la parte más externa de un neumático, que se mueve en un patrón cicloide. Estoy usando el término "parche de contacto" como lo usa la gente de dinámica de llantas, el parche de contacto se mueve con el vehículo, y tanto la banda de rodadura como la carretera "fluyen" a través del parche de contacto.
@BobD: el motor extrae energía potencial del combustible que consume, o si se trata de una motocicleta eléctrica, el motor extrae energía potencial de una batería. Por sin pérdidas, quiero decir que PE + KE = constante.

Respuestas (2)

El par aplicado a la rueda por el motor provoca una fuerza hacia atrás en la superficie de la carretera. Según la tercera ley de Newton, la fuerza hacia atrás en el camino provoca una fuerza igual que actúa hacia adelante sobre el neumático por el camino, en el lugar que llama "parche de contacto". Esta fuerza que actúa hacia adelante se debe a la fricción estática entre el neumático y la carretera. Continuará igualando la fuerza hacia atrás mientras la fuerza de fricción estática máxima de m s norte no se excede, en cuyo caso el neumático patinará. Para la máxima fuerza de fricción estática m s es el coeficiente de fricción estática entre el neumático y la carretera y norte es la fuerza normal que actúa sobre la rueda motriz debido a que la parte del peso de la motocicleta actúa sobre la rueda motriz.

Suponiendo que no actúan sobre la motocicleta arrastre, resistencia a la rodadura u otras fuerzas externas (al automóvil), entonces la fuerza de fricción estática es la única fuerza externa que actúa sobre la motocicleta y, por lo tanto, es directamente responsable de impulsarla hacia adelante. El camino, de hecho, está trabajando en el automóvil para impulsarlo hacia adelante.

Este hecho es algo difícil de entender porque la carretera claramente no es una fuente de energía. La fuente es el motor que crea la fuerza hacia atrás en la carretera que, a su vez, crea la fuerza de fricción estática hacia adelante que es responsable de realizar el trabajo. Entonces, la energía proviene del sistema de transmisión de energía que transfiere energía desde la fuente (combustible en el motor) al automóvil en virtud de una serie de interacciones que finalmente terminan como la fuerza de fricción estática de la carretera que actúa sobre el automóvil.

Espero que esto ayude.

Agregué una sección de reconsideración a mi pregunta. La carretera no se mueve, pero puede ejercer una fuerza sobre una motocicleta en movimiento debido al movimiento de balanceo (fricción estática) de la llanta trasera impulsada.
Creo que una buena manera de expresarlo sería que la carretera es parte del sistema de transmisión de energía del automóvil, aunque la carretera en realidad no proporciona energía; al igual que los elementos de transmisión del automóvil no proporcionan energía; simplemente ayudan a mover (transmitir) la energía a través del sistema hacia donde realmente la queremos
@JMac Me gusta la sugerencia modificada un poco. Ver mi revisión.
Esta respuesta no es correcta. La energía del automóvil no aumenta, por lo tanto, no se realiza trabajo en el automóvil. El trabajo es una transferencia de energía, no se transfiere energía, por lo tanto no se realiza trabajo.
@Dale Para que quede claro, ¿es su posición que la fricción estática no puede funcionar?
No, esa no es mi posición. La fricción estática funciona en muchos casos. Este no es uno de ellos. P=Fv y aquí v=0. La fricción estática solo funciona cuando v!=0
@Dale ¿Cómo puede decir que la energía de la motocicleta no aumenta cuando el OP dice "considere el caso de una motocicleta que acelera"? Y lo que es v ! ?
@Dale Y consulte lo siguiente: physics.stackexchange.com/questions/525337/… en particular, mire la respuesta de JMac, que creía que era la correcta.
El OP también dice que cualquier aumento de KE se compensa exactamente con una disminución de PE. El hecho de que la energía no cambia se establece explícitamente en el problema. v es la velocidad del material en el punto donde se aplica la fuerza. Aquí, eso es cero, no la velocidad del centro de masa.
@Dale El PE al que se refiere el OP es la energía potencial química del combustible del motor. No es PE mecánico (por ejemplo, PE gravitacional), por lo tanto, la conservación de la energía mecánica, PE+KE no se aplica aquí. La moto acelera. Gana KE. El trabajo está hecho. La única fuerza externa que actúa sobre el ciclo en la dirección de avance y hace que el ciclo se acelere es la fuerza de fricción estática. Hace el trabajo. La energía proviene en última instancia del combustible. No veo nada declarado por el OP de que la energía de la motocicleta no cambie. Nota: vea la edición OP sobre repensar la situación.
No estoy hablando de la conservación de la energía mecánica, estoy hablando de la conservación de la energía total que se aplica. La energía total es constante, por lo que no se realiza trabajo. Los comentarios no son para una discusión extensa. Lo animo a que pregunte sobre esto en un sitio orientado a la discusión como www.physicsforums.com
@Dale, lo siento, tal vez soy yo, pero no tiene ningún sentido para mí. El OP dice que la moto acelera. Eso significa que su velocidad y energía cinética están aumentando. El teorema trabajo-energía establece que el trabajo neto realizado sobre un objeto es igual a su cambio en energía cinética. Por lo tanto, el trabajo neto se está realizando en la motocicleta.
@Dale Por otro lado, estaría de acuerdo con usted si el ciclo se moviera a velocidad constante, ya que eso significaría que la fuerza de fricción estática se opone a fuerzas disipativas iguales (fricción de arrastre del aire, resistencia a la rodadura, etc.), haciendo el cambio en energía cinética cero y trabajo neto cero. Pero el OP establece claramente, "suponga que no hay pérdidas en el proceso, ni arrastre, ni resistencia a la rodadura, etc." Así que eso no se aplica aquí. Con eso, he dicho todo lo que tengo que decir.
@BobD "El teorema del trabajo y la energía establece que el trabajo neto realizado en un objeto es igual a su cambio en energía cinética. Por lo tanto, el trabajo neto se realiza en la motocicleta". Esto es un malentendido de lo que significa "trabajo neto". El "trabajo neto" no representa el trabajo realizado por una fuerza específica, incluso cuando esa fuerza es igual a la fuerza neta. Nuevamente, una explicación completa requiere una discusión sustancial y no se puede hacer en los comentarios.
@Dale El trabajo neto lo realiza la fuerza neta de todas las fuerzas externas aplicadas al objeto. Una vez más, según las declaraciones OP, la ÚNICA fuerza externa que actúa sobre el ciclo es la fuerza de fricción estática. Eso lo convierte en la fuerza neta. Dale, he terminado aquí.
Pero no puedes usar el trabajo neto para determinar el trabajo físico realizado por cualquier fuerza individual. No son lo mismo incluso en el caso de que la fuerza neta sea igual a una fuerza individual. Este es su error clave en su respuesta. Está equivocado al atribuir el “trabajo neto” al trabajo realizado por la fuerza individual en la carretera. En otras palabras, el trabajo neto te da el trabajo que se realizaría si la fuerza neta se aplicara al centro de masa. No indica el trabajo realizado por una fuerza individual en su punto de acción individual. Nuevamente, lo animo a que vaya a un foro orientado a la discusión.

La potencia se define como: la velocidad a la que se realiza el trabajo o la velocidad a la que la energía se transfiere de un lugar a otro o se transforma de un tipo a otro. https://física.info/poder/

“la tasa a la que se realiza el trabajo” está dada por la fórmula PAG = F → ⋅ v → dónde v → es la velocidad del material en el punto de aplicación de la fuerza. En el ejemplo de una motocicleta sin pérdidas, el punto de aplicación de la fuerza es la parte inferior del neumático, que tiene v → = 0 .

Sin embargo, es precisamente este punto el que está en cuestión. ¿La velocidad correcta para calcular la potencia es igual a la velocidad del material en el parche de contacto o es igual a la velocidad del parche de contacto? Por lo tanto, para resolver esto, veremos las otras partes de la definición para ver si una interpretación de v → es más consistente con el resto de la definición que la otra.

“la velocidad a la que la energía se transfiere de un lugar a otro”. Debido a la conservación de la energía, si la energía se transfiriera en el parche de contacto, la energía del automóvil cambiaría. Dado que la energía del automóvil no cambia, está claro que la velocidad a la que se transfiere la energía a través del parche de contacto es cero. Entonces, según esta parte de la definición, la potencia es cero. Esto es consistente con v → representando la velocidad del material en el parche de contacto, pero inconsistente con v → que representa la velocidad del parche de contacto.

Existen dispositivos pasivos que transmiten potencia de un lugar a otro, como ejes, cuerdas, engranajes y palancas. Sin embargo, en todos estos dispositivos hay una ubicación en el dispositivo donde el positivo PAG se hace y otro donde una cantidad (idealmente) igual de negativo PAG está hecho. Este no es el caso en el parche de contacto.

“o transformados de un tipo a otro”. En un parche de contacto típico, la única transformación de energía es de energía mecánica a energía térmica. Suponiendo que es cero en este caso. En este problema la única transformación de energía está en el motor donde la energía se transforma de potencial a mecánica. Por tanto, tiene sentido hablar de la potencia del motor a pesar de la constancia de la energía total del vehículo. Pero en el parche de contacto cualquier energía es mecánica y sigue siendo mecánica. Así que esta parte de la definición también es consistente con v → representando la velocidad del material en el parche de contacto, pero inconsistente con v → que representa la velocidad del parche de contacto.

Por lo tanto, las otras dos partes de la definición de potencia indican que la potencia proporcionada por el parche de contacto es cero. Esto se corresponde con la definición de que v → es la velocidad del material en el parche de contacto.

La razón por la que esta pregunta engaña a tanta gente es porque la fuerza del camino cambia el impulso de la motocicleta. Sin embargo, es importante saber que el impulso y la energía son conceptos distintos. Están relacionados pero no son lo mismo. Una fuerza es la tasa de cambio de la cantidad de movimiento, no la tasa de cambio de la energía. Por lo tanto, es posible que una fuerza cambie el momento de un objeto sin cambiar su energía. Este es un ejemplo, aunque hay muchos otros ejemplos similares.

Al final, la potencia mecánica transferida por una fuerza PAG = F → ⋅ v → siempre se calcula utilizando la velocidad del material donde se aplica la fuerza, que es cero para el ejemplo de la motocicleta.

Tenga en cuenta que actualicé mi pregunta con la sección separada agregada para notar el dilema del término "parche de contacto", ya que se refiere a la interfaz entre dos objetos, y el "parche de contacto" puede o no moverse. Un "parche de contacto" solo tiene una velocidad si el neumático al que hace referencia también tiene una velocidad, por lo que es específico de la situación.
Por la misma lógica, tampoco se hace trabajo W = F → ⋅ s → ? Si no se realiza trabajo, ¿qué es responsable del aumento de la KE de la motocicleta a medida que acelera? 0)?
La velocidad del parche de contacto no es relevante, solo importa la velocidad del material en el parche de contacto. Desde W = ∫ PAG   d t si PAG = 0 entonces W = 0 . Para obtener más información, consulte physicsforums.com/threads/…
@Dale Me gusta tu argumento, pero me parece interesante que la ganancia de KE del automóvil seguramente pueda ser C a yo C tu yo a t mi d F r o metro
Δ mi k = Fuerza de fricción × distancia recorrida por parche de contacto ,
en otras palabras, de lo que podría llamarse la pseudo-obra.
@Dale Y la ecuación que acabo de ofrecer puede justificarse porque estamos de acuerdo en que la fuerza de fricción agrega impulso al automóvil y, por lo tanto, energía cinética, porque mi k = pag 2 / 2 metro . Específicamente, para el movimiento en línea recta,
d mi k = metro v d v = metro d v d t v d t = F d X .
Y esto se hace sin recurrir a la C o norte C mi pag t de trabajo.
@Phillip Wood tienes razón. Lo importante aquí es reconocer que un cambio en KE no es lo mismo que trabajo. Dado que hay múltiples tipos de energía, KE puede cambiar sin trabajo, como es el caso aquí.
@Dale "KE puede cambiar sin trabajo" Esa es una afirmación bastante más audaz. Necesito estar convencido de que no podemos atribuir la ganancia de KE del automóvil al trabajo realizado por el par motor.
@PhilipWood, por lo general, no podemos "convencer" en los comentarios sobre SE. Los animo a visitar www.physicsforums.com donde podemos hacer una discusión más profunda. Pero ciertamente el torque interno del motor proporciona trabajo en diferentes subsistemas internamente. Ese no es el problema. La cuestión es la carretera y el coche como sistema global. La carretera hace 0 trabajo en el coche. La fuerza de la carretera cambia la cantidad de movimiento, pero no la energía del automóvil, por lo tanto, no realiza trabajo. Sin trabajo significa que no se transfiere energía hacia adentro o hacia afuera del automóvil. La KE cambia sin que la energía se mueva a través del límite del sistema.
@Dale, diría que la energía se refleja en el límite del sistema, que es una interacción directa con él. La carretera no cambia la energía neta del automóvil, pero facilita directamente la transferencia de energía de la rotación de las ruedas a la energía cinética lineal del automóvil.
@JMac No tengo ningún problema en llamarlo "interacción directa" o "facilita directamente". Simplemente no es "trabajo" lo que debe involucrar una transferencia de energía y esa transferencia no ocurre aquí. No estoy seguro sobre el reflejo de la energía, tendría que hacer cálculos matemáticos antes de argumentar a favor o en contra de eso.
@Dale: actualicé mi pregunta con una tercera sección para señalar que no se realiza ningún trabajo, pero que el cálculo de la fuerza de fricción estática multiplicada por la velocidad de la motocicleta es una forma válida de calcular la potencia de la rueda trasera de una motocicleta, y que están instrumentados kits de registro que usan sensores de torque para calcular la fuerza de fricción estática y luego usan esa fuerza multiplicada por la velocidad para calcular la potencia de la rueda trasera en tiempo real, para ser registrada con otros datos en el almacenamiento. Estos kits son utilizados principalmente por ciclistas que corren en autódromos. Se utilizan kits similares durante el desarrollo de vehículos.
@rcgldr esos dispositivos están montados en el eje. Miden la potencia en el eje, no en el suelo, y solo miden la potencia en el marco de referencia del dispositivo que es diferente de la potencia en el marco de referencia de la tierra.
@Dale: esos dispositivos miden el par, la potencia es un cálculo y, una vez calibrados, producen números casi idénticos a los que se ven en un dinamómetro. También pueden incluir cálculos de fuerza. Hay calculadoras de estimación de potencia que calculan una potencia estimada basada en 1/4 del tiempo de arrastre transcurrido o la velocidad de captura, y estos serían marcos de referencia basados ​​en la tierra. La precisión de los estimadores puede ser bastante cercana si se tienen en cuenta los parámetros para un vehículo específico y las condiciones ambientales.
@rcgldr seguro, pero mi punto es que no es relevante para mi respuesta. Esos dispositivos no indican que mi respuesta sea incorrecta. Están midiendo algo diferente de lo que estamos discutiendo aquí. Claramente, solo desea respuestas que estén de acuerdo con su punto de vista preconcebido. Está mal, pero es un error común, por lo que encontrará muchas personas que cometen el mismo error y estarán dispuestas a decirle que tiene razón. Eso es lo que ha pasado aquí. La discusión sobre PF fue mucho mejor, pero ignoras todo eso y vienes aquí e inmediatamente aceptas a quien esté de acuerdo contigo. Tu pérdida.
@Dale: ya admití que usar "parche de contacto" era una mala idea, y que la fricción estática no realiza ningún trabajo de red. Esto es diferente a decir potencia = fuerza · velocidad. Como otro ejemplo, los autos de carreras de Fórmula 1 tienen sensores de par y de carga. Los sensores de carga están integrados en la suspensión y pueden determinar fuerzas en las 3 dimensiones, incluida la fuerza de avance de origen externo de los ejes sobre la suspensión (el tren de transmisión está protegido de cargas lineales). Mi único punto aquí es que el concepto de caballos de fuerza de las ruedas motrices es válido y utilizado por personas en la industria.
@rcgldr oh, lo siento, pensé que estabas retrocediendo de nuevo. Sí, P=Fv es válido, aunque debido a la gran confusión sería bueno ser explícito sobre a qué P, F y v se refiere. En un eje o eje de transmisión ciertamente hay potencia. No estoy seguro de cómo se distribuye la potencia a través de la rueda. He estado buscando para ver si alguien tiene imágenes de distribuciones de estrés en una rueda o eje.
potencia = fuerza multiplicada por la velocidad del objeto, ¿qué pasa si el objeto es "abstracto" como el "parche de contacto" de un neumático?
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