¿Cómo gana energía cinética un coche?

¿Cómo se convierte esa energía en la energía cinética del automóvil, ya que la fuerza de fricción de la carretera no realiza ningún trabajo?

Esto es algo que he visto varias veces en este sitio últimamente y no estoy de acuerdo.

La fricción estática realiza un trabajo de traslación neto en el automóvil. Aplica una fuerza en la dirección del desplazamiento; se está realizando trabajo sobre el automóvil debido a la fuerza de fricción estática. No puedo ver ninguna forma de evitar esto con la definición de trabajo.

El motor (a través de la transmisión) funciona en las ruedas . Esto es lo que hace que giren. Las ruedas giratorias ahora pueden realizar trabajo contra el camino, y el camino proporciona un trabajo casi igual y opuesto, con algunas pérdidas. Dado que estamos hablando del trabajo realizado en el automóvil, no en el sistema automóvil+carretera, podemos ver que cuando se aíslan las fuerzas que actúan sobre el automóvil, la fricción estática absolutamente funciona según las definiciones tradicionales. Proporciona una fuerza en la dirección del movimiento.

Si ignoramos la fricción (como menciona su pregunta), la carretera obviamente no puede trabajar en el automóvil, y toda la potencia del motor solo se destina al trabajo de rotación de las ruedas. Necesita que las ruedas estén acopladas a la carretera por fricción para obtener realmente cualquier trabajo de traslación/energía cinética de esta rotación. Así es como funciona la fricción estática en el automóvil.

Se han dado varias respuestas que abordan el punto principal de que la fricción sirve para convertir la energía proporcionada por el motor en energía cinética del automóvil, pero ninguna parece abordar el mecanismo detrás de esta transferencia de energía. La única fuerza que acelera el automóvil a lo largo de la carretera es la fricción estática, lo que aparentemente indica que la carretera está haciendo trabajo sobre el automóvil. Si se supone que el motor debe suministrar la energía, ¿qué da? En particular, ha preguntado en los comentarios "¿de dónde obtendría [energía] la carretera?"

Imaginemos el escenario en el que no hay fricción entre las ruedas y la carretera. Mientras el motor funciona y el automóvil permanece parado, el motor sigue entregando energía al automóvil, en forma de energía cinética de rotación de las ruedas. Es decir, sin la fuerza mediadora de la fricción, el resultado directo del trabajo del motor es proporcionar energía cinética de rotación a las ruedas.

Ahora encendamos la fricción, para que el auto comience a acelerar. Como se señaló anteriormente, nos vemos obligados a admitir que la fricción está realizando un trabajo de traslación en el automóvil, siendo la única fuerza candidata para proporcionarlo. Sin embargo, eso no es todo lo que hace la fricción: la fuerza de fricción estática también imparte un par de torsión en las ruedas del automóvil en la dirección opuesta a su rotación. Recuerde que así como las fuerzas trabajan de acuerdo con$\int \vec{F} \cdot d\vec{s}$, los torques funcionan de acuerdo con$\int \vec{\tau} \cdot d \vec{\theta}$. La observación a hacer es que si una rueda tiene un radio$R$, la condición de no deslizamiento de la rotación de la rueda (es decir, la condición de que la fricción es estática) es que$ds = R d\theta$mientras el auto se mueve una distancia$ds$y la rueda gira en un ángulo$d\theta$. Dado que el par y la fuerza debidos a la fricción en una rueda dada están relacionados por$\tau_f = R F_f$, vemos eso

Es decir, los trabajos de traslación y rotación realizados por la fricción son iguales y opuestos (el signo negativo en la igualdad final se debe a que el momento de torsión es opuesto a la rotación de las ruedas), de modo que el efecto total de la fricción es no realizar ningún trabajo sobre el coche. De esta manera, reconciliamos las observaciones aparentemente contradictorias de que la carretera no transfiere energía al automóvil, pero hace el trabajo de traslación acelerándolo.

Dando la vuelta a esta afirmación, vemos que el trabajo realizado por las ruedas en la carretera es igual al trabajo de traslación realizado por la fricción en el automóvil, lo que sugiere la interpretación de que la carretera "obtiene su energía" para acelerar el automóvil a partir de la rotación de las ruedas. energía cinética, que a su vez procedía del motor.

Sin fricción, su automóvil no se moverá ni un poco. Aunque la fricción no genera trabajo neto, actúa como un convertidor de energía y entrega la energía interna suministrada por el motor al automóvil en forma de energía cinética de traslación.

Creo que tiene los fundamentos correctos, la pregunta se puede resolver considerando el automóvil como una combinación de componentes en lugar de una masa puntual única, y también distinguiendo entre la fricción estática mientras el automóvil está parado y mientras está en movimiento.

EDITAR: como se señaló correctamente en los comentarios, no necesitamos recurrir a la fricción cinética en este caso. La respuesta ha sido corregida en este punto.

Considere esta secuencia de pasos en el tiempo:

(0) El coche está parado. De hecho, la fricción estática está presente y no está realizando ningún trabajo.

(1) El motor quema combustible para generar algo de energía.

(2) Esta energía se convierte en par y se transmite a las ruedas.

(3) El par en las ruedas se convierte en fuerza tangencial en el contacto rueda-carretera.

(4) Esta fuerza es contrarrestada por la fricción estática.

(5) Cuando el par en las ruedas es lo suficientemente alto, la fuerza tangencial se vuelve mayor que la fuerza debida a la fricción estática (que está limitada por el coeficiente de fricción).

(6) En este punto las ruedas comienzan a rodar y ahora, la fricción estática generada las mantiene rodando . (Si no hubiera fricción estática, las ruedas girarían y el auto no se movería. Si el torque en las ruedas fuera realmente alto, las ruedas patinarían Y el auto se movería, o más bien patinaría. En ese caso, la fricción cinética estaría en el trabajo).

Entonces, la fuerza que causa el movimiento/aceleración netos es la resultante de la fuerza tangencial debida al par y la fuerza de fricción estática. La energía para generar ambas fuerzas la proporciona el motor. Por lo tanto, el trabajo lo realiza el motor, mientras que la carretera solo proporciona una superficie para generar la reacción necesaria.

Creo que mi énfasis es la siguiente idea: la fricción estática existe mucho incluso sin el motor o cuando el automóvil está parado. La fricción estática es responsable del movimiento solo cuando el motor (o alguna otra fuente de energía) genera una combinación de fuerzas que pueden causar un movimiento neto.

Primero echemos un vistazo al ejemplo más simple de un objeto estacionario que proporciona la fuerza para acelerar algo:

Un bloque con un resorte se mantiene comprimido contra una pared y luego se suelta.

La energía para acelerar el bloque se almacena en el resorte. Cuando se suelta el bloque, el resorte se expande, el extremo del resorte unido al bloque deslizante comienza a moverse y, dado que proporciona una fuerza, el trabajo transferido del resorte al bloque es igual a la velocidad punteada con la fuerza. El trabajo en el otro extremo del resorte es cero porque la velocidad es cero. El resorte está usando la pared estacionaria para convertir su tensión interna/energía de resorte en energía cinética del bloque. No se transfiere energía hacia o desde la pared.

Ahora consideremos el sistema más complicado del automóvil, el eje, la rueda y la carretera. El eje transfiere energía del motor a la energía de rotación de la rueda. La rueda usa la carretera para convertir su energía de rotación en energía de traslación. Este proceso no implica ninguna transferencia de energía hacia o desde la carretera porque las superficies que aplican la fuerza no tienen velocidad. La rueda transfiere la energía de traslación al eje, al cojinete y al resto del automóvil. Todas estas transferencias son posibles porque la fuerza punteada por la velocidad (o el par punteado por la velocidad de rotación) no son cero.

Tantas formas de energía cinética en los automóviles, así que para no entrar en detalles, algunas de las principales son ... Si es combustión interna, una cierta cantidad de combustible / aire comprimido se enciende y produce la energía para impulsar el pistón / biela hasta el cigüeñal para girar él y los componentes internos restantes, incluido el volante (transmisión manual) que se pondera en consecuencia para proporcionar suficiente energía kinetec con la ayuda de reducciones de engranajes en la transmisión para girar el eje de transmisión, girando otro conjunto de piñón/anillo de reducción de engranajes para iniciar el movimiento y girando la masa de los ejes/ rotores de freno/rueda/neumático más la masa del vehículo, lo veo como muchas combinaciones de energía cinética que se derivan de la ignición de la mezcla de aire comprimido/combustible que, sin embargo, inicialmente necesita electricidad para hacer girar un motor de arranque eléctrico para iniciar esa reacción en cadena,Las variables de fricción y resistencia del aire limitarán la energía cinética capaz, sin embargo, sigue siendo básicamente una relación de la eficiencia del motor (turbo, aspiración natural, híbrido) + desplazamiento del motor = potencia total (como quiera verlo, HP, Watts, etc.) del motor en combinación con el tipo de combustible y la masa del vehículo que igualarán la energía cinética.