мощность = сила, умноженная на скорость объекта, что, если объект «абстрактный», например, «пятно контакта» шины?

Рассмотрим случай ускоряющегося мотоцикла: двигатель преобразует потенциальную энергию в механическую энергию, которая используется для создания пары сил по третьему закону Ньютона в пятне контакта задней шины, обратной силы, действующей от пятна контакта на рев, сосуществующей с направляет силу дороги на пятно контакта. Для упрощения предположим, что в процессе нет потерь, лобового сопротивления, сопротивления качению и т. д., так что любое уменьшение PE (химическая потенциальная энергия топлива/батареи) приводит к увеличению KE (кинетической энергии). .

«Абстрактным» объектом в данном случае является пятно контакта заднего колеса. Хотя между поверхностью шины и дорогой в пятне контакта нет относительного движения (статическое трение), само пятно контакта движется с той же скоростью, что и мотоцикл (без учета деформации, связанной с нагрузкой). Это легче визуализировать, если использовать центр области пятна контакта в качестве мгновенного положения пятна контакта.

Дорога не может генерировать энергию, но точка приложения силы, с которой дорога действует на пятно контакта, движется с той же скоростью, что и мотоцикл. Таким образом, мощность может быть определена как сила, действующая на дорогу, умноженная на скорость точки приложения этой силы, пятна контакта, которая равна скорости мотоцикла (при условии, что дорога ровная).

Дорога также не может выполнять работу, но интегральная сумма силы (в зависимости от положения пятна контакта), умноженная на расстояние, на которое перемещается пятно контакта, может быть использована для расчета «работы», проделанной двигателем.

Я переосмыслил это. Мощность = сила, действующая на мотоцикл · скорость мотоцикла. Тот факт, что дорога не движется, не влияет на способность дороги воздействовать на движущийся мотоцикл силой, потому что она прикладывает силу к пятну контакта шины, где протектор не движется относительно дороги, а движется с отрицательной скоростью мотоцикла относительно мотоцикла. Из-за качения и крутящего момента двигателя шина и колесо мотоцикла передают силу от дороги на ось заднего колеса с той же силой от дороги и со скоростью мотоцикла. Дорогу можно рассматривать как часть последовательности передачи мощности, которая использует мощность двигателя для ускорения мотоцикла.

В этом случае скорость пятна контакта такая же, как скорость мотоцикла, но рассмотрим барабан, ускоряемый под углом вращающейся шиной, в этом случае пятно контакта не движется, а движется поверхность барабана. Барабан можно заменить кабелем, который закручивается между двумя катушками, так что ускорение кабеля в точке контакта будет линейным. В этом случае пятно контакта не движется, а мощность = сила, действующая на кабель · скорость кабеля.

Тот факт, что поверхность шины не движется относительно дороги в пятне контакта, является причиной того, что неподвижная дорога может прикладывать силу к движущемуся мотоциклу.

Итак, то, что я называю абстрактным объектом, — это просто способ обозначения чего-то, что движется с той же скоростью, что и объект, к которому приложена сила, и это была моя попытка разобраться с катящимся движением задней шины в случае мотоцикл.

Точка приложения силы, находящаяся в пятне контакта, имеет последствия, например, заднее колесо, если ускорение достаточно.

С точки зрения строгой физики, интерфейс между шиной и дорогой преобразует угловую мощность (крутящий момент, умноженный на угловую скорость) в линейную мощность (сила, умноженная на линейную скорость), поэтому нет никакой работы в сети. Однако общепринятой практикой является определение мощности заднего колеса мотоцикла, и ее можно рассчитать как произведение силы на скорость. Это можно сделать с помощью динамометра шасси, но также можно определить силу с помощью датчиков крутящего момента (преобразователей), что позволяет определять мощность задних колес в режиме реального времени во время езды, а некоторые гонщики покупают оборудование, которое включает в себя датчики крутящего момента и запись данных. для своих (гоночных) трековых велосипедов.

Мощность передается на шины, и трение шин о дорогу передает эту мощность на автомобиль. Будьте осторожны, какой объект вы выбираете, когда используете степенные уравнения.
вы уверены, что пятно контакта смещается относительно дороги? его скорость равна нулю в нижней части шины и вдвое больше скорости в верхней части
Что вы подразумеваете под «чтобы любое уменьшение PE (потенциальной энергии) приводило к увеличению KE (кинетической энергии)». Ваш мотоцикл едет вниз по склону или что-то в этом роде? Если он движется по ровной поверхности, потенциальная энергия не меняется, так что же происходит? Вы говорите о химической потенциальной энергии топлива?
@Wolphramjonny - это отличается от точки на самой внешней части шины, которая движется по циклоиде. Я использую термин «пятно контакта», используемый людьми, занимающимися динамикой шин, пятно контакта перемещается вместе с автомобилем, и протектор, и дорога «текут» через пятно контакта.
@BobD - двигатель извлекает потенциальную энергию из потребляемого топлива, или, если это электрический мотоцикл, двигатель извлекает потенциальную энергию из аккумулятора. Под отсутствием потерь я подразумеваю, что PE + KE = константа.

Ответы (2)

Крутящий момент, прикладываемый двигателем к колесу, вызывает обратную силу на поверхности дороги. Согласно третьему закону Ньютона, обратная сила на дороге вызывает равную силу, действующую вперед на шину у дороги в месте, которое вы называете «пятном контакта». Эта направленная вперед сила возникает из-за статического трения между шиной и дорогой. Она будет продолжать равняться обратной силе до тех пор, пока максимальная сила статического трения мю с Н не превышено, в этом случае шина будет проскальзывать. Для максимальной статической силы трения мю с - коэффициент статического трения между шиной и дорогой и Н - нормальная сила, действующая на ведущее колесо из-за того, что часть веса мотоцикла действует на ведущее колесо.

Если предположить, что на мотоцикл не действуют сопротивление, сопротивление качению или другие внешние (по отношению к автомобилю) силы, то сила трения покоя является единственной внешней силой, действующей на мотоцикл, и, следовательно, непосредственно отвечает за его движение вперед. Дорога, по сути, выполняет работу над автомобилем, продвигая его вперед.

Этот факт несколько сложно понять, потому что дорога явно не является источником энергии. Источником является двигатель, который создает обратную силу на дороге, которая, в свою очередь, создает переднюю силу статического трения, отвечающую за выполнение работы. Таким образом, энергия поступает от системы передачи мощности, которая передает энергию от источника (топлива в двигателе) к автомобилю посредством ряда взаимодействий, в конечном итоге заканчивающихся статической силой трения дороги, действующей на автомобиль.

Надеюсь это поможет.

Я добавил раздел переосмысления к моему вопросу. Дорога не движется, но она может воздействовать на движущийся мотоцикл из-за качения (статического трения) ведомой задней шины.
Я думаю, что хорошим способом было бы сказать, что дорога является частью системы передачи энергии автомобиля, хотя на самом деле дорога не обеспечивает никакой энергии; точно так же, как элементы трансмиссии в автомобиле фактически не обеспечивают мощность; они просто помогают перемещать (передавать) энергию через систему туда, где мы действительно этого хотим.
@JMac Мне нравится, что предложение немного изменено. Смотрите мою ревизию.
Этот ответ неверен. Энергия автомобиля не увеличивается, следовательно, в автомобиле не совершается никакой работы. Работа — это передача энергии, энергия не передается, поэтому работа не совершается.
@Dale Просто для ясности, вы считаете, что статическое трение не может работать?
Нет, это не моя позиция. Статическое трение работает во многих случаях. Это не один из них. P=Fv и здесь v=0. Статическое трение работает только при v!=0
@Dale Как вы можете сказать, что энергия мотоцикла не увеличивается, когда ОП говорит: «рассмотрите случай ускоряющегося мотоцикла»? И что такое в ! ?
@Dale И проверьте следующее: physics.stackexchange.com/questions/525337/… в частности, посмотрите на ответ JMac, который, как я считаю, был правильным.
В ОП также говорится, что любое увеличение KE точно компенсируется уменьшением PE. Тот факт, что энергия не меняется, прямо указывается в задаче. в - скорость материала в точке приложения силы. Здесь это ноль, а не скорость центра масс.
@Dale PE, на который ссылается OP, представляет собой химическую потенциальную энергию моторного топлива. Это не механический PE (например, Гравитационный PE), следовательно, сохранение механической энергии, PE+KE здесь не применяется. Мотоцикл разгоняется. Он получает КЭ. Работа сделана. Единственная внешняя сила, действующая на велосипед в прямом направлении и вызывающая его ускорение, — это сила трения покоя. Это делает работу. Энергия в конечном итоге поступает из топлива. Я ничего не вижу в ОП, что энергия мотоцикла не меняется. Примечание: см. редактирование ОП о переосмыслении ситуации.
Я не говорю о сохранении механической энергии, я говорю о сохранении полной энергии, что действительно применимо. Полная энергия постоянна, поэтому работа не совершается. Комментарии не для расширенного обсуждения. Я призываю вас спросить об этом на дискуссионном сайте, таком как www.physicsforums.com.
@ Дейл, извини, может быть, это я, но ты не имеешь для меня никакого смысла. ОП говорит, что мотоцикл ускоряется. Это означает, что его скорость и кинетическая энергия увеличиваются. Теорема о работе и энергии утверждает, что чистая работа, совершаемая над объектом, равна изменению его кинетической энергии. Следовательно, на мотоцикле совершается чистая работа.
@Dale С другой стороны, я бы согласился с вами, если бы цикл двигался с постоянной скоростью, поскольку это означало бы, что силе статического трения противостоят равные диссипативные силы (трение сопротивления воздуха, сопротивление качению и т. д.), внося изменения в нуле кинетической энергии и нулевой чистой работе. Но в ОП четко сказано: «Предположим, что в процессе нет потерь, сопротивления, сопротивления качению и т. д.». Так что это здесь не применимо. На этом я сказал все, что должен был сказать.
@BobD «Теорема о работе и энергии утверждает, что чистая работа, выполняемая над объектом, равна его изменению кинетической энергии. Следовательно, чистая работа выполняется на мотоцикле». Это неправильное понимание того, что означает «чистая работа». «Чистая работа» не представляет собой работу, выполняемую определенной силой, даже если эта сила равна чистой силе. Опять же, полное объяснение требует существенного обсуждения и не может быть сделано в комментариях.
@Dale Чистая работа выполняется за счет чистой силы всех внешних сил, приложенных к объекту. Еще раз, исходя из утверждений OP, ЕДИНСТВЕННАЯ внешняя сила, действующая на цикл, - это сила трения покоя. Это делает его чистой силой. Дейл, я закончил.
Но вы не можете использовать общую работу для определения физической работы, совершаемой какой-либо отдельной силой. Они не одинаковы даже в том случае, когда результирующая сила равна индивидуальной силе. Это ваша ключевая ошибка в вашем ответе. Вы ошибаетесь, когда приписываете «чистую работу» работе, проделанной отдельной силой на дороге. Другими словами, чистая работа дает вам работу, которая была бы совершена, если бы чистая сила была приложена к центру масс. Он не говорит о работе, совершаемой отдельной силой в ее отдельной точке действия. Опять же, я призываю вас перейти на дискуссионный форум.

Мощность определяется как: скорость, с которой выполняется работа, или скорость, с которой энергия передается из одного места в другое или преобразуется из одного типа в другой. https://физика.info/power/

«скорость совершения работы» определяется формулой п "=" Ф → ⋅ в → где в → - скорость материала в точке приложения силы. В примере мотоцикла без потерь точкой приложения силы является нижняя часть шины, которая имеет в → "=" 0 .

Однако именно этот момент вызывает сомнения. Является ли правильная скорость для расчета мощности равной скорости материала в пятне контакта или она равна скорости пятна контакта? Поэтому, чтобы решить эту проблему, мы рассмотрим другие части определения, чтобы увидеть, подходит ли одна интерпретация в → больше согласуется с остальной частью определения, чем другое.

«скорость, с которой энергия передается из одного места в другое». Из-за сохранения энергии, если бы энергия передавалась в пятно контакта, энергия автомобиля изменилась бы. Поскольку энергия автомобиля не меняется, ясно, что скорость, с которой энергия передается через пятно контакта, равна нулю. Таким образом, по этой части определения мощность равна нулю. Это согласуется с в → представляющая скорость материала в пятне контакта, но несовместимая с в → представляет собой скорость пятна контакта.

Существуют пассивные устройства, которые передают энергию из одного места в другое, такие как валы, канаты, шестерни и рычаги. Однако во всех таких устройствах есть одно место на устройстве, где положительный п делается, а другой, где (в идеале) равное количество отрицательных п готово. В пятне контакта этого нет.

«или преобразованный из одного типа в другой». В типичном пятне контакта происходит только преобразование энергии из механической энергии в тепловую. По предположению, что в этом случае он равен нулю. В этой задаче единственное преобразование энергии происходит в двигателе, где энергия преобразуется из потенциальной в механическую. Поэтому имеет смысл говорить о мощности двигателя, несмотря на постоянство полной энергии автомобиля. Но в пятне контакта любая энергия является механической и остается механической. Таким образом, эта часть определения также согласуется с в → представляющая скорость материала в пятне контакта, но несовместимая с в → представляет собой скорость пятна контакта.

Следовательно, обе другие части определения мощности указывают, что мощность, обеспечиваемая пятном контакта, равна нулю. Это соответствует определению, что в → - скорость материала в пятне контакта.

Причина, по которой этот вопрос ставит так много людей в тупик, заключается в том, что сила от дороги действительно изменяет импульс мотоцикла. Однако важно знать, что импульс и энергия — разные понятия. Они связаны, но не одинаковы. Сила – это скорость изменения количества движения, а не скорость изменения энергии. Следовательно, сила может изменить импульс объекта без изменения его энергии. Это один пример, хотя есть много других подобных примеров.

В конце концов механическая мощность, передаваемая силой п "=" Ф → ⋅ в → всегда рассчитывается с использованием скорости материала, к которому приложена сила, которая равна нулю для примера с мотоциклом.

Обратите внимание, что я обновил свой вопрос, добавив отдельный раздел, чтобы отметить дилемму термина «контактное пятно», поскольку оно относится к интерфейсу между двумя объектами, а «контактное пятно» может двигаться или не двигаться. «Пятно контакта» имеет скорость только в том случае, если шина, на которую оно ссылается, также имеет скорость, поэтому это зависит от ситуации.
По той же логике не выполняется ли работа Вт "=" Ф → ⋅ с → ? Если работа не совершается, то что отвечает за увеличение КЭ мотоцикла при его ускорении (в ситуации нулевых потерь РЕ + КЭ = постоянная, поэтому уменьшению РЕ соответствует увеличение КЕ: ∆PE + ∆KE = 0)?
Скорость пятна контакта не имеет значения, важна только скорость материала в пятне контакта. С Вт "=" ∫ п   д т если п "=" 0 затем Вт "=" 0 . Подробнее см. на physicsforums.com/threads/…
@Dale Мне нравится ваш аргумент, но мне интересно, что прирост KE автомобиля, безусловно, может быть с а л с ты л а т е д ф р о м
Δ Е к "=" сила трения × расстояние, пройденное пятном контакта ,
другими словами, из того, что можно было бы назвать псевдоработой.
@Dale И уравнение, которое я только что предложил, может быть оправдано, потому что мы согласны с тем, что сила трения добавляет машине импульс и, следовательно, кинетическую энергию, потому что Е к "=" п 2 / 2 м . В частности, при прямолинейном движении
д Е к "=" м в д в "=" м д в д т в д т "=" Ф д Икс .
И это делается без обращения к с о н с е п т работы.
@Филлип Вуд, ты прав. Здесь важно признать, что изменение КЭ — это не то же самое, что работа. Поскольку существует несколько видов энергии, КЭ может изменяться без работы, как в данном случае.
@Dale «KE может измениться без работы». Это довольно смелое утверждение. Меня нужно убедить, что мы не можем приписать прирост КЭ автомобиля работе, проделанной крутящим моментом двигателя.
@PhilipWood обычно мы не можем «убедительно» комментировать SE. Я призываю вас посетить сайт www.physicsforums.com, где мы можем провести более подробное обсуждение. Но, безусловно, внутренний крутящий момент двигателя обеспечивает внутреннюю работу различных подсистем. Это не проблема. Вопрос в дороге и в машине как в общей системе. Дорога делает 0 работы на машине. Сила от дороги изменяет импульс, но не энергию автомобиля, поэтому она не работает. Отсутствие работы означает, что энергия не передается в автомобиль или из него. КЭ изменяется без движения энергии через границу системы.
@Dale Дейл, я бы сказал, что энергия отражается от границы системы, что является прямым взаимодействием с ней. Дорога не изменяет чистую энергию автомобиля, но напрямую способствует передаче энергии от вращения колес к линейной кинетической энергии автомобиля.
@JMac У меня нет проблем с тем, чтобы назвать это «прямым взаимодействием» или «прямым содействием». Это просто не «работа», которая должна включать передачу энергии, а здесь такой передачи не происходит. Я не уверен насчет отражения энергии, мне придется посчитать, прежде чем я буду спорить за или против этого.
@Dale - я обновил свой вопрос 3-м разделом, чтобы отметить, что никакой работы не делается, но что расчет силы статического трения, умноженной на скорость мотоцикла, является допустимым способом расчета мощности заднего колеса мотоцикла, и что есть инструменты комплекты для записи, которые используют датчики крутящего момента для расчета статической силы трения, а затем используют эту силу, умноженную на скорость, для расчета мощности заднего колеса в режиме реального времени, чтобы записать вместе с другими данными в хранилище. Эти комплекты используются в основном гонщиками, участвующими в шоссейных гонках. Подобные комплекты используются при разработке транспортных средств.
@rcgldr эти устройства установлены на оси. Они измеряют мощность на оси, а не на земле, и измеряют мощность только в системе отсчета устройства, отличной от мощности в системе отсчета земли.
@Dale - Эти устройства измеряют крутящий момент, мощность - это расчет, и после калибровки они дают почти те же числа, что и на динамометре. Они также могут включать расчеты силы. Существуют калькуляторы оценки мощности, которые рассчитывают расчетную мощность на основе 1/4 прошедшего времени сопротивления или скорости ловушки, и это будут системы отсчета, основанные на земле. Точность оценок может быть довольно близкой, если учитывать параметры конкретного транспортного средства и условия окружающей среды.
@rcgldr конечно, но я хочу сказать, что это не имеет отношения к моему ответу. Эти устройства не указывают на то, что мой ответ неверен. Они измеряют нечто иное, чем то, что мы здесь обсуждаем. Вам явно нужны только те ответы, которые согласуются с вашим предвзятым мнением. Это неправильно, но это распространенная ошибка, поэтому вы найдете множество людей, совершающих ту же ошибку, и они захотят сказать вам, что вы правы. Вот что здесь произошло. Дискуссия о ПФ была намного лучше, но вы игнорируете все это, приходите сюда и сразу принимаете того, кто с вами согласен. Твоя потеря.
@Dale - я уже признал, что использование «контактного патча» было плохой идеей и что сетевая работа не выполняется за счет статического трения. Это отличается от утверждения мощность = сила · скорость. В качестве другого примера, гоночные автомобили Формулы-1 имеют датчики как крутящего момента, так и нагрузки. Датчики нагрузки встроены в подвеску и могут определять усилия во всех трех измерениях, в том числе внешнее переднее усилие осей на подвеску (трансмиссия защищена от линейных нагрузок). Мое единственное замечание здесь заключается в том, что концепция мощности ведомого колеса действительна и используется людьми в отрасли.
@rcgldr о, извините, я думал, что вы снова идете назад. Да, P=Fv действителен, хотя из-за большой путаницы было бы хорошо уточнить, какие P, F и v вы имеете в виду. На оси или карданном валу определенно есть мощность. Я не уверен, как мощность распределяется по колесу. Я искал, есть ли у кого-нибудь изображения распределения напряжений в колесе или оси.
мощность = сила, умноженная на скорость объекта, что, если объект «абстрактный», например, «пятно контакта» шины?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v