Как мощность двигателя переходит в кинетическую энергию автомобиля?

Трение просто обеспечивает сцепление. Крутящий момент двигателя выполняет работу. То же самое, когда вы начинаете бежать — ваши ноги прилагают усилие, а трение просто предотвращает скольжение ног назад.

Работа имеет два разных, но эквивалентных определения. Во-первых, это сила, приложенная на расстоянии, а во-вторых, работа — это передача энергии. Я предпочитаю второе определение, так как оно немного яснее в подобных обстоятельствах.

Автомобиль разгоняется, а потому явно идет увеличение КЭ. Но выполнялась ли работа на дороге? Дорога неподвижна, как и шины там, где они встречаются с дорогой, поэтому, согласно первому определению работы, работы не было. Но давайте посмотрим глубже, КЭ увеличилась, так откуда взялась эта энергия? Это произошло из-за топлива. Таким образом, согласно второму определению, у дороги также не было выполнено никакой работы. KE автомобиля был увеличен, а PE уменьшен, поэтому энергия не передавалась по дороге.

Я считаю, что просмотр передачи энергии помогает легче идентифицировать работу. Когда вы прыгаете, пол не передает вам энергию, химическая энергия меняется на КЭ и гравитационную ПЭ. Когда вы скользите вниз по горке без трения, энергия передается не скольжению, а гравитации. Анализ сил может быть сложным, но анализ передачи энергии не так уж и сложен.

Если вы разделите автомобиль на отдельные компоненты, вы увидите, как выполняется работа и передается энергия между компонентами. Энергия топлива сначала преобразуется в механическую энергию на коленчатом валу. В этой точке есть сила и есть смещение, так что именно здесь в первую очередь совершается работа.

Теперь энергия коленчатого вала относительно постоянна (небольшое вращательное KE и повышение температуры, но намного меньше, чем количество энергии от двигателя), так где же эта входная энергия покидает коленчатый вал? Оно сразу переходит во вращательное движение коробки передач, а затем и колес. Наконец, колесо преобразует вращательное движение шестерен в линейное движение. Эта линейная сила поднимается от пятна контакта к оси, где она, наконец, преобразуется в КЭ автомобиля.

Назначение земли не в том, чтобы совершать работу (она ее не делает), а в том, чтобы преобразовывать вращательное движение в прямолинейное. В этом смысле это просто еще одна часть общей трансмиссии.

Колеса воздействуют на землю силой, направленной назад, поэтому земля оказывает на колеса силу, направленную вперед. Вот что нам говорит action = reactio.

Поскольку центр колеса (в основном) неподвижен по отношению к автомобилю, импульс (сила, умноженная на время), передаваемый от земли, должен быть направлен на ось колеса. Здесь у нас снова ось колеса давит на машину, а машина давит на ось.

Поскольку две силы, воздействующие на колесо и землю и автомобиль, не действуют в одном и том же месте, они создают крутящий момент, который пытается остановить вращение колес. Опять же, этот крутящий момент является реакцией на крутящий момент, создаваемый двигателем (очевидно, через коробку передач).

Итак, у нас есть крутящий момент от двигателя, который заставляет колесо давить на землю, а ось — на автомобиль. Каждой силе противодействует равная сила реакции/крутящий момент.

Теперь давайте посмотрим на энергии. Энергия равна силе, умноженной на расстояние.

• Двигатель/шестерни/ось/колеса вращаются при передаче крутящего момента, поэтому работа передается через трансмиссию (работа = крутящий момент, умноженный на угол поворота).

• Автомобиль движется в системе отсчета земли, поэтому сила, с которой ось действует на автомобиль, действует на автомобиль.

• Земля не движется, поэтому в ее системе отсчета над ней не совершается никакой работы.

Видите ли, хотя колесо давит и на землю, и на машину, оно действует только на машину, просто потому, что машина может двигаться, пока земля неподвижна.

Если вы поместите автомобиль на прицеп (один из прицепов, которые используются для перевозки автомобилей) и забудете закрепить тормоз прицепа, попытка съехать с прицепа вместо этого приведет к тому, что прицеп вылетит из-под машины. В этом случае «земля» была бы не стационарной, а подвижной и легче автомобиля . Таким образом, сила, с которой колеса действуют на прицеп, заставит прицеп ускоряться быстрее, чем более тяжелая машина, на которую действует противоположная сила. Таким образом, колеса будут работать на прицепе гораздо больше, чем на автомобиле. Это будет прицеп, который заберет большую часть энергии, вырабатываемой двигателем автомобиля. О, и не пытайтесь повторить это дома !

Я не понимаю, как мощность, подаваемая на колеса, становится кинетической энергией автомобиля без трения, выполняющего работу.

Силы не должны совершать работу.

Представьте себе сжатую пружину с массой. В сжатой пружине есть немного энергии. Когда мы отпускаем пружину, она может ускоряться (совершать работу) над массой. Это кажется довольно простым.

Но чтобы масса двигалась правильно, пружина должна удерживаться на месте. Это означает, что стена обеспечивает силу, которая перемещает массу. Он выполняет (почти) нулевую работу, но без стенки пружина также не могла бы выполнять работу над массой.

В случае пружины силы с обоих концов; а в случае автомобиля трение от дороги — это то, что соединяет или связывает две массы вместе. Это позволяет энергии в системе совершать работу, разделяя массы.

Таким образом, мощность двигателя, передаваемая на ось, создает силу на автомобиль (вперед) и на землю (назад). Автомобиль пытается выполнить работу в обоих случаях (но поскольку масса земли настолько велика, мы обычно игнорируем мизерную часть, которую можно выполнить, и предполагаем, что вся работа выполняется автомобилем).