¿Por qué uno experimenta un tirón corto en la dirección equivocada cuando un vehículo se detiene?

Pasé los últimos fines de semana haciendo mi propia realización del código del método MPM (solo por diversión). Acabo de tener una idea de que puedo intentar simular algo similar al problema de interés.

Entonces, aquí está nuestro "coche".

Se mueve hacia la derecha con cierta velocidad constante. Luego aplico una fuerza externa constante a las "ruedas" para detenerlas. Y eso es lo que tengo:
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Los colores indican la cantidad de estrés en el medio. Y aquí está la animación:

Todos son libres de dar otras ideas para simulaciones/visualizaciones...

Dibujé esta imagen a continuación:

donde al volver a esta página veo que esta pregunta tiene 3 meses. Sin embargo, responderé esto de todos modos, porque nadie respondió correctamente en mi opinión. La imagen ilustra los resortes o puntales en la parte inferior del vehículo. Al decelerar, estos comunican la deceleración de la carretera o los raíles al vehículo. La desaceleración se debe a una fricción estática (holonómica o sin deslizamiento) entre el neumático y el suelo,$F_b~=~-kx$. Aquí la fricción de frenado es igual a la fuerza del resorte que entregan los puntales. La fuerza de frenado depende de la velocidad, donde$F_b(v)~=~ F\theta(v)$, que es una función heaviside que se apaga cuando la velocidad es igual a cero. Esto significa que el resorte tiene una ligera distensión cuando el vehículo se detiene y esto luego da esa pequeña fuerza hacia adelante que experimentamos.

A menudo, las personas que hacen física teórica nunca han hecho cosas como reconstruir un motor de automóvil.

Creo que varias respuestas ya señalaron correctamente los factores. Pero, al menos en los autos, creo que el factor dominante es el juego de resortes delanteros y traseros. Mi ilustración es muy exagerada. En (a) tenemos un automóvil con velocidad constante. Cuando el conductor decelera el coche con los frenos el sistema de muelles entra en configuración (b). Cuando el vehículo finalmente se detiene y no hay aceleración en él, el sistema de resorte oscila un poco hacia atrás (c) antes de volver a la configuración de equilibrio (a). El efecto de atracción incorrecto ocurre entre (b) y (c)

Tenemos dos efectos en marcha. Una es que la persona está contrarrestando una aceleración constante, pero cuando se detiene rápidamente, no hay nada que impida que la fuerza contraria (inclinación) genere una aceleración de la persona. El tren no es un cuerpo rígido, pero de hecho es un cuerpo deformable, por lo que su intuición que asume que posee una rigidez infinita es incorrecta. Un cuerpo deformable bajo tensión (para transmitir la desaceleración de los frenos a la masa distribuida del vagón del tren) , también está bajo tensión (es decir, el cuerpo del tren experimenta alguna deformación). En el instante en que se elimina la fuerza de frenado, estos esfuerzos y deformaciones permanecen, y el vagón de tren se encuentra en un estado de no equilibrio.

Intente modelarlo como masa en un resorte unido a un cuerpo rígido. Someta el cuerpo rígido a una aceleración constante y deje que el resorte/masa llegue a su posición de equilibrio. Luego elimina la aceleración. El resorte no está en su posición de equilibrio y la masa verá aceleración.

Creo que la respuesta de @Robert sobre el 'latigazo hacia arriba' podría explicar parte del efecto en algunos casos, pero dudo que se note en los trenes u otras cosas con un recorrido de suspensión limitado o nulo.

Estoy bastante seguro de que se debe principalmente al efecto de 'reclinarse' (¿el efecto Kienzler?). Llévate una canica la próxima vez que viajes en tren, ¡probablemente puedas idear un experimento para averiguarlo!

Usted es empujado en sentido contrario por sus propias manos y piernas, las cuales fueron estresadas para mantenerlo desacelerando junto con el vehículo.

Cuando el vehículo deja de acelerar repentinamente (así es como funciona la fricción: es lo opuesto a la velocidad, y luego la velocidad llega repentinamente a cero), entonces esta tensión sigue tirando de ti hasta que reaccionas y te reconfiguras.

No hay que tirar, tu cuerpo tira de ti mismo debido a la contracción de los músculos para contrarrestar la desaceleración.

Modelemos tu cuerpo por una masa repartida verticalmente, más tus pies. No se aplica fuerza, usted está parado derecho. Imagina que estamos a una velocidad constante, el tren circula de izquierda a derecha en la imagen.

Cuando el vehículo desacelera, usted es objeto de una fuerza de inercia (si consideramos el tren como referencia, la fuerza de inercia, también conocida como fuerza ficticia , simplifica enormemente la explicación; podría considerar la tierra como referencia y estudiar el momento).

Ahora consideremos que no usas patines. Tus zapatos tienen suficiente fricción en el suelo y se aplica una fuerza opuesta en tus pies. La suma de estas dos fuerzas es nula y no te deslizas.

Sin embargo, estos dos resultan en un par ) sobre su cuerpo, el cual comienza a girar.

Ahora, asumiré que tienes un cerebro. Instintivamente, el cerebro ordena a tus músculos que se contraigan para contrarrestar esta pareja.

Esta pareja muscular es creada por la poderosa contracción de su pantorrilla (es decir, tirando de su cuerpo hacia abajo), y su fuerte tibia tiene una fuerza opuesta.

De repente, el tren se detiene y la deceleración es nula. Lo que queda es tu propia pareja. Te tiras hacia atrás.

Creo que dado que la aceleración del movimiento del vehículo hacia la dirección del viaje siempre es <= cero para el proceso de desaceleración, la explicación debe buscarse en otro lugar ya que esto no puede explicar su "retroceso".

En mi opinión, podría ser que la desaceleración actúe en el vehículo también como una aceleración angular, de modo que se incline un poco (frente "hacia el suelo", atrás "en el aire"). En el momento en que el vehículo se detiene, esta inclinación desaparecerá (podría describirse como una oscilación aperiódica). Este movimiento, llámese "up-whipping" volverá a tener un punto de inflexión provocando la patada en el asiento.

Bien quizás :)

Un experimento simple:
tome un péndulo que esté suspendido usando algún soporte como un marco de madera.
Grabe lo que sucede cuando se detiene.
Compáralo con un video tuyo en el mismo tren durante la misma parada.
Suficientemente científico y simple.
Si el movimiento del péndulo difiere del tuyo, tu explicación es correcta.

Lo siento, no tiene explicación numérica o teórica.

Creo que esto tiene que ver con Jerk. Jerk es la derivada de la aceleración. Los frenos del vehículo proporcionarán una fuerza casi constante contra el movimiento del automóvil. Ya que$F=m a$, a medida que su vehículo reduce la velocidad a una tasa constante de aceleración negativa. Una vez que el automóvil se detiene, la fuerza (y, en consecuencia, su aceleración) se reduce a cero muy rápidamente. Esto da como resultado una gran cantidad de Jerk, y esto es lo que sientes.

Quizás se pueda explicar así:
en un momento determinado el piloto del tren suelta el sistema de frenos. En ese momento, la pesada masa del tren se libera de una restricción bastante poderosa y sus ruedas pueden moverse libremente (bueno, no completamente libres, por supuesto). Cuando las ruedas giran ligeramente hacia adelante, experimentas una fuerza en la otra dirección. Siendo la masa del tren bastante grande y la liberación de los frenos bastante repentina, esta fuerza es más fuerte que la anterior desaceleración cuidadosa.

Entonces, el tirón corto no estaría en una dirección "incorrecta".
Debería ser fácil verificar en la realidad si esta explicación es correcta.

Un poco tarde para el juego, pero si ponemos un vaso de agua en el tren en estas circunstancias, verá que el agua es empujada hacia el lado "delantero" del vaso a medida que el tren reduce la velocidad y luego, cuando el tren se detiene, agite hacia el lado "posterior" del vaso, repitiendo en ciclos decrecientes hasta detenerse.

El cuerpo humano es ciertamente más rígido que el agua en un vaso, pero tus órganos (y el cerebro que es bastante pesado) seguirán el patrón de movimiento del agua y retrocederán.

Ahora intente el mismo experimento mental con un vaso de agua sólida congelada. Sin contragolpe.

Supongo que la respuesta es dinámica de fluidos combinada con desaceleración.

Otra forma de observar este efecto es hacer que un automóvil suba una pendiente suave a cierta velocidad, ponerlo en punto muerto, esperar a que se detenga y luego frenar. La mayoría de las personas esperan que usar los frenos cuando el automóvil está parado (aunque sea momentáneamente) no tendrá un efecto perceptible, y se sorprenden al sentir un 'tirón' muy similar al mencionado en la pregunta.

La explicación proviene de la mecánica estándar, donde un cuerpo está en equilibrio cuando las fuerzas que actúan sobre el centro de masa suman cero.

Cuando el tren está desacelerando, hay torques que actúan sobre su cuerpo donde hace contacto con el tren a través del asiento o el piso, y automáticamente altera la posición de su cuerpo para crear contra-torques para que su cuerpo permanezca en equilibrio. Cuando el tren se detiene repentinamente, este contrapar neto ya no está equilibrado, por lo que giras alrededor de tu centro de masa en una dirección que te hace retroceder.

Y así, quién puede reducirlo más: ¡el diseñador de vehículos!

El fabricante de automóviles francés Citroen hace la compensación desde hace mucho tiempo.

citando a citroenet

Se incorpora la suspensión anti-inmersión ya que los frenos traseros toman su líquido de la suspensión trasera que tira de la cola hacia abajo cuando se frena con fuerza.

Creo que este efecto es causado por el exceso en la respuesta del cuerpo al cambio en la aceleración del tren.

Supongamos que hay un tren "perfecto" que puede iniciar/detener la aceleración (frenar) instantáneamente. Empieza a frenar desde la velocidad de 50 m/s y hasta que alcanza la velocidad cero.

Aquí hay una simulación. El modelo del "cuerpo" es muy aproximado, pero demuestra el efecto. Como sabemos, experimentamos un efecto similar cuando el tren comienza a reducir la velocidad.

Tomé el modelo de "cuerpo" en movimiento de aquí: http://en.wikipedia.org/wiki/State_space_representation#Moving_object_example

Aunque llego muy tarde al juego, me gustaría intervenir diciendo que en el curso de la implementación de sistemas de control de vehículos guiados automáticamente (vehículos guiados por cable con cursos establecidos), he tenido la oportunidad de conducir vehículos mientras experimentando con sus curvas de aceleración y desaceleración; Una cosa que he notado es que el cuerpo humano (bueno, el mío en particular, pero supongo que otros son similares) es notablemente sensible a los cambios de aceleración . Si la velocidad del vehículo se reduce linealmente a cero, la desaceleración se sentirá suave hasta que la velocidad llegue a cero, con lo cual casi no importa qué tan lenta sea la desaceleración o qué tan lento viajaba el vehículo cuando se detuvo, el cambio de desaceleración de distinto de cero a distinto de cero será perceptible. Distribuir el cambio de desaceleración en 1/10 de segundo puede no afectar visiblemente el movimiento de la máquina en absoluto (si una máquina desacelera uniformemente a 10 mm/seg/seg, solo se desplazará 0,05 mm en sus últimos 100 ms; suavizar el la curva de desaceleración no agregará ni siquiera 0,05 mm a la distancia total de viaje), pero puede tener un efecto notable en cómo se siente el viaje.