Какие силы действуют на автомобиль в движение физика

Силы действующие на автомобиль

В механике чаще всего приходится иметь дело с силами различной величины, действующими в различных направлениях. Силы принято обозначать на схемах стрелками и буквами, причем направление стрелок должно совпадать с направлением действия силы, а длины всех стрелок должны быть выдержаны в одном масштабе пропорционально величинам сил. Начало («хвост») стрелки устанавливают в точке приложения силы.

Рис. Силы, действующие на автомобиль, изображают стрелками.

Приведем простой пример: на кузов автомобиля действуют две силы — сила сопротивления воздуха и сила ветра, дующего под углом 90° к продольной оси (и направлению движения) автомобиля. Скорость автомобиля (т. е. встречного движения воздуха) 30 метров в секунду (30 м/сек), или 108 километров в час (км/час), скорость ветра 10 м/сек, или 36 км/час. Величины сил лобового сопротивления и бокового ветра примерно пропорциональны квадратам скорости, так что можно изобразить стрелки длиной 30^2 = 900 или 90 мм и 10^2 = 100 или 10 мм, приложенные в точке центра тяжести автомобиля.

Вообще же величины сил измеряют в килограммах (сокращенно кг).

Практически, действие силы или нескольких сил на тело приводит к началу движения (перемещения) неподвижного тела, к изменению направления и скорости движения тела или к давлению одного тела на другое, если одно из них препятствует перемещению другого.

Попутно отметим, что давление измеряют в килограммах (кг), приходящихся на 1 квадратный сантиметр (см2). Если нагрузка, действующая на одно колесо автомобиля, равна 300 кг, а поверхность соприкасающейся с дорогой части шины (отпечатка шины) равна 150 см2, то давление составляет 300:150 = 2 кг/см2 (удельное давление шины на грунт).

Рис. Нагрузка, приходящаяся на колесо, распределяется по поверхности отпечатки шины.

На тело, например на автомобиль, могут действовать несколько сил. Совокупность нескольких сил, одновременно действующих на тело, называется системой сил. Эти несколько сил можно суммировать (сложить), чтобы выявить равнодействующую (или результирующую) силу. Если силы действуют в одном направлении и приложены в одной точке, их равнодействующая приложена в той же точке, направлена в ту же сторону и равна по величине сумме составляющих сил.

Рис. Впадина дороги. Сила тяжести и центробежная сила действуют в одном направлении и складываются.

Рис. Перекат дороги. Центробежная сила противодействует силе тяжести.

Например, при прохождении автомобилем впадины дороги сила тяжести Ga и центробежная сила Zц, приложенные в точке центра тяжести, дают равнодействующую R = Ga + Zц. Если силы направлены в противоположные стороны (прохождение выпуклого места дороги), равнодействующая равна их разности, приложена опять в точке центра тяжести и направлена в сторону большей силы. Если противодействующие силы равны, тело находится в покое или в установившемся движении, так как равнодействующая равна нулю.

Рис. При сложении сил ветра и давления встречного воздуха равнодействующая направлена по диагонали параллелограмма этих сил.

Возвратимся к примеру с боковым ветром. Здесь действуют две силы в разных направлениях, приложенные к одной точке. Сложение таких сил отличается от сложения сил, направленных в одну или в противоположные стороны. Равнодействующая сил встречного воздуха и бокового ветра направлена по диагонали параллелограмма, сторонами которого являются составляющие силы, и равна длине этой диагонали (т. е. в данном примере R = корень_из_(10:2 + 90:2) = 90,5).

Можно складывать силы встречного воздуха и бокового ветра, дующего под различными углами к продольной оси автомобиля.

Рис. Складывая веса, приходящиеся на передние и задние колеса, можно получить вес автомобиля.

Бывают случаи, когда на тело (автомобиль) действуют две параллельные силы, приложенные в разных точках (например, нагрузка на передние и задние колеса автомобиля). Равнодействующая равна их сумме, направлена параллельно в ту же сторону, а точка приложения ее находится на линии, соединяющей точки приложения двух составляющих сил, причем расстояния от точки приложения равнодействующей силы до точек приложения составляющих обратно пропорциональны величинам составляющих сил. Приведем пример: база автомобиля равна 3000 мм, на передние колеса приходится 1200 кг, или 30% нагрузки, на задние — 2800 кг, или 70%; отсюда найдем, что величина равнодействующей силы составляет 4000 кг и эта сила приложена в точке, находящейся на расстоянии (70*3000)/100 = 2100 мм от передней оси и (30*3000)/100 = 900 мм от задней. Отметим, что в данном случае равнодействующая сила является пол-
ным весом автомобиля.

Если приложенные к телу силы направлены в разные стороны, равнодействующая равна разности этих сил и направлена в сторону большей силы, а точка ее приложения лежит на продолжении прямой, проходящей через точки приложения составляющих сил, за большей силой. Расстояния от равнодействующей до составляющих сил обратно пропорцион-альны величинам этих сил.

Рис. На концы оси действуют силы, направленные в разные стороны. Их равнодействующая показана справа (слева по ходу автомобиля).

Возьмем в качестве примера такой случай: левое колесо во время движения автомобиля попадает на бугор, а правое — в выбоину. На концы оси действуют противоположно направленные силы; в зависимости от величины неровностей, скорости движения и т. д., силы могут быть разными. Допустим, что действующая на левое колесо сила в 10 раз больше действующей на правое (В = А:10); колея автомобиля равна 1400 мм. Равнодействующая сила равна А — 1/10А = 9/10А. Расстояние Х от этой силы до большей силы вычисляем из пропорции:

Х / (Х + 1400) = А/10А;
10х = х + 1400,
х = 155 мм.

Рис. Силу тяжести автомобиля на косогоре можно разложить на две, направленные параллельно и перпендикулярно поверхности дороги.

Отсюда расстояние от равнодействующей до меньшей силы равно 1555 мм.

Читайте также:  Музей автомобилей в брюсселе

Силы можно (и бывает нужно) не только складывать, но и раскладывать. Разложение одной силы на две обычно приходится производить в том случае, когда нужно узнать, какие части известной силы действуют в заданных направлениях.

Рис. Сила тяжести (вес автомобиля) раскладывается на две силы, действующие на передние и задние колеса.

Например, нужно узнать, какая часть силы тяжести, приложенной к центру тяжести находящегося на косогоре автомобиля, направлена вбок и какая перпендикулярно поверхности дороги. Поскольку разложение силы является действием, обратным сложению, принимаем данную силу за диагональ параллелограмма и из точки приложения силы проводим две линии в заданных направлениях, а из вершины силы проводим линии, параллельные проведенным ранее. В результате получаем параллелограмм, стороны которого и являются искомыми силами.

Рис. Крутящий момент возникает от силы давления газов, переданной через поршень и шатун и приложенной на плече, равном радиусу кривошипа.

Разложение силы на параллельные также происходит в порядке, обратном сложению. Нужно лишь знать расстояние отданной силы до ее предполагаемых составляющих (или задаться этими расстояниями). Если вес автомобиля равен 2 т, а центр тяжести расположен посередине базы, т. е. расстояния от заданной силы тяжести (2 т) до передней и задней осей автомобиля равны, то на каждую ось приходится половина веса автомобиля — 1 т. Каждая составляющая сила равна половине данной силы. Если центр тяжести сдвинут от середины базы и расположен, например, на расстоянии 1/3 базы от задней оси, составляющие силы, равные в сумме данной, обратно пропорциональны расстояниям от осей до центра тяжести, т. е. на задние колеса придется 2/3 веса автомобиля, на передние — 1/3.

Рис. Реакция дороги равна силе тяжести (весу), приходящейся на колесо.

Но возможны положения, когда силы или сила вызывают поворот или вращение тела. Такое положение возникает, например, когда противодействующие параллельные силы равны, а их равнодействующей не существует — она равна нулю. Систему таких сил называют парой сил, расстояние между ними — плечом пары, а произведение одной из сил на плечо — моментом пары. Момент измеряют в килограммометрах (кгм), так как в произведение входит сила, измеренная в кг, и плечо, измеренное в м. Подобное положение имеется и в случае, когда одна сила действует на тело, закрепленное в какой-либо точке. Момент силы тогда является произведением силы на кратчайшее расстояние (плечо) от линии действия силы до неподвижной точки. Этот момент вызывает вращение тела или его скручивание, поэтому его называют крутящим моментом или вращающим моментом.

Источник

Силы, действующие на автомобиль при прямолинейном движении

Независимо от того, движется автомобиль, или он неподвижен, на него действует сила тяжести (вес), направленная отвесно вниз. Сила тяжести прижимает колеса автомобиля к дороге. Равная ей и направленная вверх действует сила реакции дороги.

Равнодействующая этих сил размещена в центре тяжести. Распределение веса автомобиля по осям зависит от расположения центра тяжести. Чем ближе к одной или другой оси центр тяжести, тем большей будет нагрузка на эту ось. На груженых легковых автомобилях нагрузка на оси распределяется поровну. Большое влияние на устойчивость и управляемость автомобиля имеет расположение центра тяжести. Чем выше центр тяжести, тем менее устойчивым будет автомобиль.

Если автомобиль находится на горизонтальной поверхности, то сила тяжести направлена отвесно вниз. На наклонной поверхности она раскладывается на две силы, одна из которых прижимает колеса к поверхности дороги, а другая стремится опрокинуть автомобиль.

Во время движения, кроме силы тяжести, на автомобиль действует и ряд других сил, на преодоление которых затрачивается мощность двигателя.

Сила сцепления с дорогой зависит от веса, приходящегося на колесо, от состояния покрытия дороги, давления воздуха в шинах и рисунка протектора.

Коэффициент сцепления зависит от вида покрытия дороги и от его состояния: наличие влаги, грязи, снега, льда.

На дорогах с асфальтобетонным покрытием коэффициент сцепления резко уменьшается, если на поверхности имеется влажная грязь, пыль. В жаркую погоду на асфальте появляется маслянистая пленка из выступающего битума, которая снижает коэффициент сцепления.

Уменьшение коэффициента сцепления колес с дорогой наблюдается также при увеличении скорости движения на сухой дороге с асфальтобетонным покрытием с 30 до 60 км/час, коэффициент сцепления уменьшается на 0,15.

деформирование шины и дороги;

трение шины о дорогу;

трение в подшипниках ведущих колес.

Значение коэффициента лобового сопротивления и лобовая площадь определяется заводом-изготовителем. Изменение этих параметров может произойти из-за установки на кузове-кабине автомобиля разных вспомогательных устройств: дополнительное зеркало заднего вида, багажник на крыше автомобиля. В большинстве случаев это отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах автомобиля.

Особенно опасно изменение обтекаемости автомобиля при его движении. Если при движении автомобиля со скоростью более 80 км/час открыть, а затем захлопнуть боковую дверь, то весьма вероятна, даже на сухой дороге, потеря автомобилем курсовой устойчивости.

Источник

Силы, действующие на автомобиль

Величина тяговой силы тем больше, чем больше крутящий момент двигателя и передаточные числа коробки передач и главной передачи. Но величина тяговой силы не может превысить силу тепления ведущих колес с дорогой.

Если тяговая сила превысит силу сцепления, то ведущие колеса будут пробуксовывать.

Сила сцепления равна произведению коэффициента сцепления на сцепной вес. Для тягового автомобиля сцепной вес равен чесу, приходящемуся на ведущие колеса автомобиля. При торможении сцепной вес автомобиля равен его весу, приходящемуся на затормаживаемые колеса.

Коэффициент сцепления зависит от типа и состояния покрытия дороги, от конструкции и состояния шины (давление воздуха, рисунок протектора), от нагрузки и скорости движения автомобиля.

Величина коэффициента сцепления снижается при мокрой и влажной поверхностях дороги, особенно с увеличением скорости движения и при изношенных шинах.

Читайте также:  Руководство по эксплуатации автомобиля газель бизнес 3302

Например, для сухой дороги с асфальтобетонным покрытием коэффициент сцепления равен 0,7—0,8, а для мокрой — 0,35 — 0,45. При обледенелой дороге коэффициент сцепления снижается до 0,1—0,2.

При движении автомобиля указанные соотношения изменяются, так как происходит продольное перераспределение полного веса автомобиля между его осями: при передаче ведущими колесами тяговой силы больше нагружаются задние колеса, а при торможении автомобиля — передние колеса.

Кроме того, перераспределение полного веса автомобиля между передними и задним и колесами имеет место при движении на подъем и под уклон.

Перераспределение нагрузки, изменяя величину сцепного веса, влияет на сцепление колес с дорогой и устойчивость автомобиля.

Силы сопротивления движению автомобиля

Тяговая сила на ведущих колесах обеспечивает преодоление внешних сил, возникающих при движении автомобиля.

При равномерном движении автомобиля по горизонтальной дороге такими силами являются: сила сопротивления качению и сила сопротивления воздуха.

При движении автомобиля в гору ( рис. 138 ) возникает сила сопротивления подъему, а при разгоне автомобиля — сила сопротивления разгону (сила инерции).

Рис. 138. Схема сил, действующих на автомобиль при равномерном движении на подъеме

Сила сопротивления качению возникает вследствие деформации шин и поверхности дороги. Она равна произведению полного веса автомобиля на коэффициент сопротивления качению.

Коэффициент сопротивления качению зависит от типа и состояния покрытия дороги, конструкции шин, их износа и давления воздуха в них, скорости движения автомобиля.

Например, для дороги с асфальтобетонным покрытием коэффициент сопротивления качению равен 0,014—0,020, для сухой грунтовой дороги — 0,025—0,035.

На твердых дорожных покрытиях коэффициент сопротивления качению резко увеличивается при снижении давления воздуха в шинах.

Коэффициент сопротивления качению возрастает с ростом скорости движения, а также с увеличением как крутящего, так и тормозного момента.

Сила сопротивления воздуха зависит от коэффициента сопротивления воздуха, лобовой площади и скорости движения автомобиля.

Коэффициент сопротивления воздуха определяется типом автомобиля и формой его кузова, а лобовая площадь — колеей колес (расстоянием между центрами шин) и высотой автомобиля.

Сила сопротивления воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости движения автомобиля (если скорость возрастает в 2 раза, сопротивление воздуха увеличивается в 4 раза).

Сила сопротивления воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости движения автомобиля (если скорость возрастает в 2 раза, сопротивление воздуха увеличивается в 4 раза).

Сила сопротивления подъему тем больше, чем больше вес автомобиля и крутизна подъема дороги, которая оценивается углом подъема в градусах пли величиной уклона, выраженной в процентах. При движении автомобиля под уклон сила сопротивления подъему, наоборот, ускоряет движение автомобиля.

На автомобильных дорогах с асфальтобетонным покрытием продольный уклон обычно не превышает 6%. Если коэффициент сопротивления качению принять равным 0,02, то общее сопротивление дороги составит 8% от полного веса автомобиля.

Сила сопротивления разгону зависит от массы автомобиля, его ускорения (прироста скорости в единицу времени) и массы вращающихся частей (маховик, колеса), на ускорение которых также затрачивается тяговая сила.

При разгоне автомобиля сила сопротивления разгону направлена в сторону, обратную движению. При торможении автомобиля и замедлении его движения сила инерции направлена в сторону движения автомобиля.

Источник

Устройство автомобилей

Основы динамики автомобиля

Скоростная характеристика двигателя

Скоростная характеристика двигателя определяется зависимостями эффективной мощности Ne и крутящего момента Mк от частоты вращения n коленчатого вала.

Ведущие колеса автомобиля приводят его в движение в результате возникновения силы тяги, которая возникает при приложении крутящего момента к полуосям ведущих колес со стороны трансмиссии:

где Pт – сила тяги, Н;
Mт – крутящий (тяговый) момент на ведущем колесе, Нм;
r – радиус колеса, м.

Крутящий момент на ведущих колесах зависит от величины момента, развиваемого двигателем на коленчатом валу, передаточного числа iтр трансмиссии и ее КПД – ηтр :

Анализ графика показывает, что максимальная эффективная мощность и максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем, доступен в узком интервале частот вращения коленчатого вала. При небольшой частоте вращения коленчатого вала величина этих динамических показателей недостаточна для появления на ведущих колесах требуемой для движения автомобиля силы тяги, а при превышении частотой вращения коленвала некоторого максимального порога двигатель начинает терять мощность и тяговые показатели, или, как говорят механики, начинает работать «вразнос».
По этой причине эффективная эксплуатация двигателя внутреннего сгорания возможна лишь в некотором узком диапазоне частот вращения коленчатого вала.

Тяговая характеристика автомобиля

Тягово-скоростные свойства автомобиля удобно оценивать с помощью тяговой характеристики, т. е. зависимостью силы тяги на ведущих колесах от скорости движения на различных передачах (рис. 2).

Число кривых на тяговой характеристике (рис. 2) соответствует числу ступеней в коробке передач.

Тяговая характеристика позволяет быстро определить максимальное значение силы тяги на ведущих колесах, которая может быть обеспечена при данной скорости движения автомобиля, поскольку она рассчитывается по наибольшей для данной частоты вращения коленчатого вала мощности двигателя. Меньшее значение силы тяги получается при недоиспользовании мощности двигателя, т. е. при неполной подаче топлива. Следовательно, с помощью тяговой характеристики можно оценить предельные тяговые возможности автомобиля в фактическом интервале скоростей его движения.

Силы и моменты, действующие на ведущие колеса

Реактивные силы, действующие на колеса

Тяговый момент Мт на ведущих колесах стремится сдвинуть назад верхний слой дорожного покрытия, в результате чего со стороны дороги на ведущее колесо в зоне контакта действует противоположно направленная сила Rx – горизонтально направленная касательная реакция дороги.

где Рш – сила, учитывающая потери энергии в шинах ведущих колес.

Таким образом, касательная реакция дороги создает силу тяги.

Боковая сила Рy значительно увеличивается при криволинейном движении автомобиля или при движении по косогору. Боковая реакция Ry со стороны дороги удерживает колеса автомобиля от бокового скольжения (заноса) при движении автомобиля поперек косогора или при выполнении маневра.

Сила тяги на ведущих колесах

При этом не учитываются затраты энергии на деформацию дорожного покрытия, трение внутри шины и силы инерции, обусловленные ускорением вращающихся масс колес и деталей трансмиссии в случае неравномерного движения.

Следует учитывать, что радиус колеса вследствие эластичности шины является переменной величиной.
Различают следующие радиусы автомобильных колес:

Радиус качения колеса определяется по формуле:

Если проскальзывание колеса относительно дороги отсутствует, что характерно для ведомого колеса, то радиусы rд и rк почти равны между собой. В случае полного буксования колеса его пройденный путь будет равен нулю, и тогда (согласно приведенной выше формуле) его радиус качения тоже будет равен нулю.
В случае движения колеса юзом (скольжение без вращения) число оборотов будет равно нулю, и, соответственно, радиус качения rк будет стремиться к бесконечности.

Источник

Силы, действующие на автомобиль при движении

Разные силы, действующие на автомобиль, существуют при езде, главная из них – сила тяжести. Причем эта сила действует на автомобиль вне зависимости от того, находится ли он в движущемся состоянии или же нет. Сила тяжести всегда направлена вертикально вниз и распространяется равномерно по всему корпусу автомобиля, действуя при этом на все транспортные оси и колеса. Благодаря этому влиянию силы тяжести на автомобиль, увеличивается вес транспортного средства и сам автомобиль давит при этом на дорожное покрытие. Тем самым увеличивается сцепление транспортного средства с дорожным покрытием, сцепление увеличивается прямо пропорционально. В бытовом плане воздействие силы тяжести особенно заметно тогда, когда автомобиль трогается с места и при последующем движении колес. Равной силе тяжести является сила реакции дорожного покрытия. Равнодействующая этих сил располагается точно в центре тяжести. От расположения центра тяжести в автомобиле зависит распределение веса всех транспортных осей автомобиля. Чем выше располагается центр тяжести в автомобиле, тем неустойчивее он. Если центр тяжести располагается близко к какой-либо оси автомобиля, то это значит, что нагрузка на эту ось будет максимальной. Если автомобиль находится в ровном горизонтальном положении, то сила тяжести давит непосредственно вертикально вниз. Если же автомобиль при движении меняет свое положение с горизонтального на положение под углом к горизонтальной поверхности, то в таком случае сила тяжести отделяется от силы реакции. В данном случае происходит следующее: одна из сил все еще продолжает прижимать колеса к дорожному полотну, а другая стремится опрокинуть корпус автомобиля. Соответственно во время движения автомобилист должен соблюдать определенные нормы эксплуатации технического средства с учетом расположения центра тяжести машины. При этом необходимо соблюдать установленные рамки возможного наклона автомобиля, правила разгона и т. д.

К силам, действующим на автомобиль при движении, относится также и сила инерции движения.

Это сила состоит из следующих факторов:

· сила, необходимая для ускорения,

· сила, необходимая для углового ускорения вращающихся элементов автомобиля.

Вообще само перемещение автомобиля возможно только в том случае, если сила сцепления достаточно велика для того, чтобы удерживать автомобиль в этом состоянии. Если же сила сцепления мала, то в таком случае происходит пробуксовка колес автомобиля. Инерционные силы возникают в том случае, если изменяется угол или направление движения автомобиля. Сила инерции мешает разгону автомобиля и его торможению. А это значит, что при движении также необходимо учитывать действие этой силы. Необходимо правильно рассчитывать расстояние до возможного препятствия и производить торможение или же разгон в соответствии с действием этой силы.

Сила сцепления – это еще одна физическая сила, действие которой оказывает существенное влияние на движение автомобиля и на поведение его во время движении. Эта сила зависит от качества дорожного покрытия, вернее, от его гладкости. Кроме того, на силу сцепления также оказывает непосредственное влияние вес каждого отдельного колеса, который складывается из веса автомобиля, равномерно распределенному по всем транспортным осям автомобиля. Наиболее лучшее сцепление обеспечивает асфальт, причем коэффициент сцепления уменьшается, если на дорожном полотне имеется грязь, пыль, песок и т. д. Наиболее низкой силой сцепления обладает обледеневшая дорога. Также стоит помнить о том, что мокрая дорога обеспечивает более низкую степень сцепления автомобиля с дорогой. Кроме того, сила сцепления уменьшает свое воздействие при движении автомобиля по сухому асфальтовому покрытию на большой скорости (сцепление уменьшается в два раза).

Также на автомобиль во время движения оказывает определенное воздействие сила сопротивления качению. Эта сила оказывает непосредственное влияние на физический износ колес и всех элементов автомобиля, которые с ними соприкасаются.

Также происходит влияние силы сопротивления воздуха. Эта сила и ее уровень воздействия зависит от качества корпуса автомобиля и от его обтекаемости. Чем более обтекаемая форма у автомобиля, тем более низкая возникает сила сопротивления, а значит, тем более высокую скорость может развивать автомобиль. Изменить эти параметры можно только в случае полной замены корпуса кузова автомобиля. Так еще следует помнить о том, что установка багажника на крышу автомобиля также влияет на обтекаемость корпуса автомобиля. К слову сказать, чем больше сила сопротивления воздуха, тем больше расход топлива на 100 километров. Обтекаемость корпуса можно временно изменить (правда, в худшую сторону) во время движения автомобиля. Так, например, если во время быстрого движения резко открыть, а потом закрыть дверь, то весьма вероятно, что автомобиль может потерять необходимый уровень устойчивости. Это очень опасно, особенно на оживленных дорогах.

Кроме вышеперечисленных фических сил, на автомобиль также оказывают влияние следующие действующие силы:

· сила сопротивления подъему,

· разворачивающая сила и т. д.

Необходимо помнить о том, что во время резкого торможения также резко уменьшается сила сцепления задних колес с дорожным полотном. При таком торможении колеса более всего подвержены блокировке, а значит, увеличивается вероятность возникновения на дороге аварийной ситуации.

Источник

Читайте также:  Коэффициент лобового сопротивления автомобилей шкода
Поделиться с друзьями
Практические советы по железу и огороду