два вопроса по физике автомобильного колеса

[vpd]

Думаю, что все в школе учили физику. А именно: законы Ньютона, трения покоя и скольжения. Вашему вниманию предлагаются два феномена, с которыми каждый сталкивается каждый день при езде на автомобиле. Задача очень проста - объяснить их, пользуясь школьными знаниями.

Откуда берётся сила, перпендикулярная вектору скорости авто, поворачивающая автомобиль при повороте передних колес?
Почему при выходе из поворота колеса сами стремятся вывернуться в прямое положение и активно крутят руль? Почему, скажем, не наоборот?

Когда появится объяснение, проверьте его на случае очень скользкого дорожного покрытия, останется ли оно справедливым?

Считаю, что понимание физики этих явлений способствует грамотному вождению любого авто, в том числе и Астры (это чтобы за оффтоп не сочли ).

Сразу предупреждаю, что комментарии типа "забей на физику и наслаждайся ездой!" в этой теме буду рассматривать как интеллектуальную импотенцию, поэтому просьба их сюда не писать.
Банальные ответы вроде "так устроен автомобиль" или "сила берется от трения колес о дорогу" просьба тоже не писать. Надеюсь, никого в правах не ущемил.

[Leo_Ku]

По первому вопросу, сейчас рисую силы в Corel.
По второму вопросу, это связано с регулировкой оси поворта колеса отноисительно пятна контакта (не занаю отвечает за это сход - развал или нет). Кстати у меня на ВАЗ 2105 колеса после поворота на половину далее выворачивали руль до упора.

[Leo_Ku]

Кстати, меня больше занимает вопрос, почему торможение юзом менне эффективно чем отможение колодками и какой коэф. трения у резины по асфальту. От этого должна заисеть разгонная динамика.
У меня получается 10, но по моему многовато.

[Sirius]

почему торможение юзом менне эффективно чем отможение колодками

в смысле на грани юза

[Gesper]

Единственная сила, перпендикулярная вектору скорости, которая задействована при повороте - это кинетическая энергия передней части автомобиля (в зависимости от развесовки).
Рассчитывается она по школьной формуле: Ек = (m*v2)/2

v2 - квадрат скорости.

Если не ошибаюсь. Время то идет, забывается школа.

[vpd]

Кстати, меня больше занимает вопрос, почему торможение юзом менне эффективно чем отможение колодками и какой коэф. трения у резины по асфальту.

Это то как раз не так сложно, если я правильно понял вопрос. Сухое трение всегда выше трения скольжения, поэтому пока колеса не заблокированы, ускорение торможения чуть выше. Кроме того, пока колеса не заблокированы, разбалансировка загрузки колес не так страшна, то есть меньше шансов, что крутанет машину.

Коэффициент трения резины по сухому асфальту, кажется, около 1. Это не так мало, в общем то. Это эквивалентно удержанию на горке с наклоном в 45 градусов. Для коэффициента 10 наклон горки уже нужен 84 градуса! Где вы видели авто, которое на почти отвесной горке не поползет?

[Alter.spb]

За второй вопрос отвечает так называемый Кастор - или продольный угол наклона оси поворота колеса (ВЕлосипед видели? У него вилка не перепендикуляроно земле)

[Serg P]

vpd

Думаю, что все в школе учили физику. А именно: законы Ньютона, трения покоя и скольжения.

Ну положим законы Ньютона учили, а что за законы трения покоя и скольжения? Поаккуратней с терминами.

Откуда берётся сила, перпендикулярная вектору скорости авто, поворачивающая автомобиль при повороте передних колес?

Сила трения в пятне контакта колеса с дорогой и ее направление зависят от режима движения. При прямолинейном разгоне или торможении она параллельна или антипараллельна направлению движения. При маневрах возникает ее перпендикулярная составляющая.

Почему при выходе из поворота колеса сами стремятся вывернуться в прямое положение и активно крутят руль? Почему, скажем, не наоборот?

За это явление отвечает угол кастора - наклон оси поворота управляемого колеса от вертикали в продольном направлении. Чем он больше, тем выше стабилизирующее усилие, возвращающее колесо к нулевому положению.

Когда появится объяснение, проверьте его на случае очень скользкого дорожного покрытия, останется ли оно справедливым?

Странная рекомендация. Советую ее пропустить.

Считаю, что понимание физики этих явлений способствует грамотному вождению любого авто, в том числе и Астры (это чтобы за оффтоп не сочли

Сомневаюсь, что отсутствие понимания физики явления появления звука в гортани мешает кому либо говорить. Гораздо важнее знать свои реальные возможности, как водителя, и не превышать их.

Vladimir

Единственная сила, перпендикулярная вектору скорости, которая задействована при повороте - это кинетическая энергия передней части автомобиля (в зависимости от развесовки).

Енергия не может быть силой - размерности разные, да и вообще сила - это вектор, энергия - скалярная величина.
Я понимаю, что для многих школьная физика далеко в прошлом, но друзья, каждый предмет требует профессиональног подхода, несмотря на то физика это или юриспруденция или медицина. Не хотите подискутировать о метаболизме клеток печени под воздействием алкоголя или об имущественном праве в Древней Греции?
Узкоспециальные темы приводят либо к сужению круга общающихся, либо к разговорам на уровне дилетантов.
Извините, если кого обидел.

[vpd]

а что за законы трения покоя и скольжения?

ну здрасьте, Fтр = коэфф. трения * N, N - сила реакции опоры. Направление силы трения паралллельно плоскости соприкосновения тел и направлено противоположно скорости или силе смещения, если тело находится в покое. Не изучали что ли?

Странная рекомендация. Советую ее пропустить.

Рекомендация написана потому, что при уменьшении трения оба явления пропадают. На гололеде руль надо выкручивать обратно самому, а резкий поворот руля не приводит к повороту, начинается скольжение по прямой.

Гораздо важнее знать свои реальные возможности, как водителя, и не превышать их.

Интересно, а ваши возможности как водителя, превосходят законы природы? Думаю, все-таки нет. Или реальные возможности каждого водителя настолько далеки от пределов, описываемых физикой, что нет смысла говорить о последних?

Не хотите подискутировать о метаболизме клеток печени под воздействием алкоголя или об имущественном праве в Древней Греции?

Нет, поскольку это вообще не связано с автомобилем.

[sonique]

Согласен полностью - ЗАЧОТ!!!
сам я умом все понимаю, но вот грамотно объяснить не всегда получается, поэтому лучше промолчать!
ну а вообще конечно вещи интересные вокруг нас творяться, научиться бы почаще их замечать...
)))))))

[rmarty]

антипараллельна

Хорошо сказано, правда! :P

[Безон]

ну здрасьте, Fтр = коэфф. трения * N, N - сила реакции опоры. Направление силы трения паралллельно плоскости соприкосновения тел и направлено противоположно скорости или силе смещения, если тело находится в покое. Не изучали что ли?

кстати, сила трения растет с ростом скорости проскальзывания следовательно торможение юзом более эффективно чем торможение на грани

[Alter.spb]

Торможение есть процесс превращения кинетической энергии автомобиля в тепловую путем трения в тормозных механизмах или в шинах. Очевидно, что этот процесс теплообразования и съема этой энергии более эффективен в тормозных механизмах, нежели в скользящем колесе. Поэтому высказывание предыдущего оратора считаю неверным .

[Безон]

Очевидно, что

гы, когда я учился в универе, эта фраза означала что человек не знает как обосновать свое утверждение.
а в качестве подтверждения своего утверждения могу задать наводящий вопрос:
Возьмем любую машину с дисковыми тормозами, и
1) заменим тормозные диски на большего размера, шины прежние
2) заменим шины на более широкие а диски прежние.

где будет меньший тормозной путь?

[Пластилиновый хомячок]

Не хотите подискутировать о метаболизме клеток печени под воздействием алкоголя

Я интересуюсь этим вопросом, пож.подискутируйте, а то в последнее время очень много употребляю красного вина и что там происходит с метаболизмом клеток?

[Alter.spb]

БезонНадо считать, потому что

Даще самые мощные тормоза на узких колесах не позволят реализовать свой потенциал, так как машина будет просто уходить в юз - неээфективно преобразовывая энергию.

Аналогично и во втором случае.

Надо строить две кривые, складывать их и находить точку экстремума новой функции - она и будет наилучшим соотношением тормозов и шин.

[York]

vpd
.....антипараллельна направлению....

это в смысле квази перепендикулярна?

[Gesper]

Читаю и гордость разбирает. Думаю такие темы только у астраводов найдешь. 8)

[Андрей С.]

а в качестве подтверждения своего утверждения могу задать наводящий вопрос: ...

А зачем? На практике оптимум торможения достинается именно при использовании трения движения, а не покоя (извините, если переврал термины)

Я интересуюсь этим вопросом, пож.подискутируйте, а то в последнее время очень много употребляю красного вина и что там происходит с метаболизмом клеток?

Нарушается. Сильно. В результате страдают в той или иной мере все функции печени, в том числе и дезинтоксикационные. Быстрее всего на интоксикацию реагируют нервные клетки, например, клетки головного мозга. Постепенно их функция снижается или совсем утрачивается. Как результат - появление таких вопросов в теме про физику автомобильного колеса

[Serg P]

Пластилиновый хомячок

Serg P писал(а):
Не хотите подискутировать о метаболизме клеток печени под воздействием алкоголя

Я интересуюсь этим вопросом, пож.подискутируйте, а то в последнее время очень много употребляю красного вина и что там происходит с метаболизмом клеток?

С удовльствием бы подискутировал. Если бы хорошо разбирался в этом вопросе . Это было провокационное предложение
vpd

Не изучали что ли?

За шесть лет обучения на Физтехе и не такое изучал. Просто не думал, что простое определение силы трения называют "Законом трения покоя и скольжения".
York

Serg P писал(а):
vpd
.....антипараллельна направлению....

это в смысле квази перепендикулярна?

Вполне распространенный термин в физике и геометрии. Антипараллельность векторов означает их противоположную направленность. Сам термины не выдумываю и вам не советую. (это относительно "квази перепендикулярна").

Кстати тема начата с вопроса о понимании процессов трения.

Задам вопрос и я.

Вы стоите перед движущейся лентой транспортера. Скорость движения ленты "V". Вы бросаете на эту ленту кусочек мела под острым углом "а" к краю ленты. Кусочек мела под действием силы трения, прочертив на ленте некую линию, останавливается.
Сможет ли кто-нибудь описать тип линии, которую прочертил мел

[Андрей С.]

Ветвь параболы?
Не совсем понимаю связь с темой

[Serg P]

Андрей С.

Ветвь параболы?

Ответ неправильный.
Еще есть варианты?

[Андрей С.]

Тогда - прямая линия

[Serg P]

Андрей С.

Тогда - прямая линия

Вот это другое дело. Верно.
Несмотря на простоту ответа, задача многих повергала в долгие раздумья. Был свидетелем, как один сёкарь имея пятёрку по теормеху две страницы исписал, пока не понял, что, после перехода в систему отсчета, неподвижную относительно движущейся ленты, задача действительно превращается в банальный вопрос...

[vpd]

За шесть лет обучения на Физтехе и не такое изучал. Просто не думал, что простое определение силы трения называют "Законом трения покоя и скольжения"

Я за время обучения на Физтехе (правда питерском) тоже много чего изучал. И могу засвидетельствовать лично, что школьный курс физики начальных классов там точно не повторяют. И в теормехе тоже ничему практически полезному для бытовой жизни уже не учат.
По поводу "простого" определения силы трения не согласен, это соотношение ничуть не хуже, чем F = m*a. И даже посложнее, поскольку на первый вопрос этой темы так никто и не ответил.

По поводу доп. вопросов. Хочется блестнуть широтой мысли, создавайте другие темы, там и пообсуждаем проблемы жизни на Марсе, черных дыр, высокотемпературной сверхпроводимости и прочего, чего душа желает. Если модератор позволит 8) А здесь мы обсуждаем именно колесо. И на вопрос ответ не дан. За ответ типа "При маневрах возникает ее перпендикулярная составляющая." на экзамене следует жестокое выпытывание правды. Я это ответом на поставленный вопрос не считаю ни к коей мере.

2 Андрей С., Alter.spb, Безон
Тема про эффективность торможения юзом/на грани/без юза - безусловно очень интересна, и с ней связана другая физика, думаю, даже более обширная. Хотите, оставим ее на десерт? Или вообще вынесем в другую тему?

Всё-таки, друзья, давайте не будем завбывать про изначальный вопрос. Может я его недостаточно понятно сформулировал? Попробую еще раз:
Равнодействующей каких сил является сила, перпендикулярная скорости автомобиля при повороте колес?

Вот представим себе авто как "черный ящик", касающийся опоры в 4 точках. Вот ящик движется по прямой в определенном направлении со скоростью V, куда направлена сила трения в точках касания? Вот повернули колеса, а вектор скорости пока прежний. Куда направлена сила трения в точках касания? Откуда возникает сила, перпендикулярная вектору скорости?

[Alter.spb]

vpd Если честно, мне просто лень думать.

[Константиныч]

Откуда берётся сила, перпендикулярная вектору скорости авто, поворачивающая автомобиль при повороте передних колес?

Ну блин формулировка вопроса! Я тоже изучал физику в МАИ. Какая сила и к чему она приложена? На колеса действуют одни силы и моменты, на кузов автомобиля другие. Если рассматривать кузов, то при изменении направления движения передних колес возникает вращательный момент, действующий на весь автомобиль. Если рассматривать повернутое колесо, то в дополнение к моменту сопротивления качению на шину начинает действовать сила трения скольжения, направленная под углом к плоскости вращения колеса.

Можно нарисовать полную раскладку сил, действующих на поворачивающий автомобиль с учетом силы аэродинамического сопротивления, подъемной и прижимной силы, опрокидывающего момента, кинематических связей в подвеске, центробежных сил, вызванных округлостью планеты и ее вращением вокруг своей оси и вокруг Солнца и пр., но как понимание этих процессов улучшит навыки вождения?

По второму вопросу совершенно правильно было сказано про угол кастера.

[Serg P]

vpd

Всё-таки, друзья, давайте не будем завбывать про изначальный вопрос. Может я его недостаточно понятно сформулировал? Попробую еще раз:
Равнодействующей каких сил является сила, перпендикулярная скорости автомобиля при повороте колес?

Помоему, опять непонятно сформулировал... "сила, перпендикулярная скорости автомобиля" - Видимо речь идет о перпендикулярной составляющей этой силы трения. Но извините, проекция не может быть равнодействующей силой. Скаляр не может быть вектором.
И не забывайте, что даже при движении без проскальзывания колес направление движения колеса и направление скорости автомобиля не совпадают. Каждое из этих направлений совпадает с перпендикуляром, проведенным к линии, соединяющей эту точку (центр пятна контакта или центр масс автомобиля) с центром поворота.

Вот представим себе авто как "черный ящик", касающийся опоры в 4 точках. Вот ящик движется по прямой в определенном направлении со скоростью V, куда направлена сила трения в точках касания? Вот повернули колеса, а вектор скорости пока прежний. Куда направлена сила трения в точках касания? Откуда возникает сила, перпендикулярная вектору скорости?

Если мы рассматриваем движение машины без тяговых и тормозных моментов на колесах, т.е. накатом, то сила в пятне контакта колеса всегда направлена перпендикулярно направлению движеня колеса (а не автомобиля). Т.е. вдоль оси вращения колеса. Вслучае разгона или торможения соответствующие моменты силы, приложенные к колесам, вызывают изменение направления результирующей силы.

Если "повернули колеса, а вектор скорости пока прежний" - то это очевидно движение с проскальзыванием. Да и вообще что значит вектор скорости прежний? - при криволинейном движении вектор скорости непрерывно изменяется... И опять же, вектор какой скорости? Напоминаю, что вектор скорости колеса и вектор скорости ценра масс автомобиля не совпадают.
Налицо проблемы с терминологией. Если автор хотел, чтобы ему помогли разобраться с физикой взаимодействия колеса с дорогой, то вряд ли форум - лучшее место для этого, если же было желание поделиться своими знаниями с другими, то сначала их нужно грамотно сформулировать...

Я за время обучения на Физтехе (правда питерском) тоже много чего изучал

Я имел ввиду МФТИ - его Физтехом называют. Других нет. Не путать с физкультурным техникумом .

[OLEG5000]

Не хотите подискутировать о метаболизме клеток печени под воздействием алкоголя

Я интересуюсь этим вопросом, пож.подискутируйте, а то в последнее время очень много употребляю красного вина и что там происходит с метаболизмом клеток?

+1))))))

[vpd]

Константиныч
Вот какая сила и к чему приложена, я как раз и хочу выяснить.
Изначально вопрос именно о том, откуда берутся силы, действующие в конечном итоге на кузов, причем не все силы вообще, а только те, которые "добавляются" при повороте колес.
1. Кузов. то что вращательный момент возникает, я и сам догадываюсь. Но вот какие силы его создают, как они направлены и почему именно так?
2. Про колесо не понял. Откуда там трение скольжения? Пока я тормоз не нажимаю, скольжения нет. Или надо понимать так, что при качении повернутого колеса всегда возникает скольжение шины по покрытию? А если я стоячий авто толкаю и руль кручу, то как-то странно.
3. По поводу полной раскладки сил с учетом астрологии не надо себя перетруждать. Достаточно нарисовать тот минимум основных сил, которые объясняют появление составляющей, перпендикулярной вектору скорости авто, которая и обуславливает сам поворот.
4. Как понимание улучшит вождение? Да очень просто. Например, из понимания раскладки сил следует, что оттормаживаться надо перед поворотом, в повороте заданного радиуса возможности сбрасывания скорости ограничены. Если повернутые колеса в повороте, не дай Бог заблокируются, то машина перестанет поворачивать и будет дальше двигаться по прямой. Я в этом убеждался сам, как на гололеде, так и на мокром асфальте. Ощущения неприятные, когда вместо поворота с главной дороги направо тебя несет в левое крыло стоящей машины, уступающей тебе дорогу на второстепенной.

Serg P
Согласен, опять несколько коряво сформулировал. Согласен, что в общем случае равнодействующая всех сил не перпендикулярна вектору скорости авто, но имеет перпендикулярную составляющую. Но вопрос в том, как объяснить происхождение именно этой составляющей из сил трения колеса о дорогу.

В общем, я и сам склонен думать, что колесо, имеющее вращательную степень свободы (не заблокированное) ведет себя подобно рулю лодки, плывущей по реке. То есть, сила, действующая ступицу колеса со стороны колеса, в первом приближении, перпендикулярна плоскости вращения колеса. Однако, как только колесо блокируется, то наступает то, что описано в п.4. выше. И мне не до конца понятно, почему сила трения направлена вдоль оси вращения колеса? и почему она меняет направление при юзе? И меняет его она скачком или плавно при изменении тормозного усилия от нудя до блокировки вращения?

Я имел ввиду мгновенный вектор скорости "черного ящика". Я описывал мысленный эксперимент. И про скорость колеса я вообще не говорил, никаких проблем с нерминологией я не создавал. Что я неграмотно сформулировал? Слово "пока" относилось не к реальному времени а к модельному. Имелась ввиду последовательность событий, позволяющая понять происхождение составляющей силы, обуславливающей поворот.

В Санкт-Петербурге имеется Физико-Технический Институт им. Иоффе. И соответствующий факультет есть в Политехе. Не путать с физкультурным техникумом