Шины автомобиля выполняют чистое качение. Следовательно, работа, совершаемая трением на шинах (и, следовательно, на автомобиле), равна нулю. Если внешняя работа не совершается, как увеличивается кинетическая энергия автомобиля?
Увеличение кинетической энергии автомобиля происходит за счет внутренней энергии автомобиля, хранящейся, например, в его бензине или аккумуляторах.
Двигатель передает крутящий момент на колеса, которым трение не позволяет просто вращаться на месте. Реакция земли на автомобиль (колеса) заставляет его двигаться быстрее.
Вы смешиваете две разные вещи.
Если у нас есть две поверхности, скользящие друг по другу, и коэффициент трения между ними не равен нулю, то энергия рассеивается в виде трения. Эта потерянная энергия — это просто расстояние, на которое поверхности скользили, умноженное на силу трения. В случае (идеальных) колес вы совершенно правы в том, что, поскольку скольжения не происходит, потери энергии на трение равны нулю.
Но все это означает, что никакая энергия не теряется на трение. Автомобиль и дорога действуют друг на друга с одинаковой и противоположной силой, поэтому при движении автомобиля внешняя работа совершается дорогой на автомобиль. Отсутствие проскальзывания автомобильных шин просто означает, что вся эта работа идет на кинетическую энергию автомобиля, и ни одна из них не теряется на трение.
Ответ заключается в том, что сила трения покоя может совершать работу.
Рассмотрим случай, когда вы сидите в машине, которая ускоряется.
Сиденье не имеет спинки и вы не двигаетесь относительно сиденья.
Теперь считайте себя системой.
На вас действуют три силы.
В вертикальном направлении ваш вес и нормальная реакция сиденья компенсируются, и вы остаетесь с горизонтальной статической силой трения, которая ускоряет вас и движется вместе с вами.
Это работа, совершаемая этой статической силой трения, которая заставляет вас увеличивать вашу кинетическую энергию.
Конечно, основным источником увеличения кинетической энергии является химическая энергия, хранящаяся в топливе, которую двигатель преобразует в полезную форму.
Обновление в результате обсуждения с ОП.
Возвращаюсь к машине, а вы сидите на сиденье.
Что видит наблюдатель на дороге?
Наблюдатель видит постоянную горизонтальную статическую силу трения из-за того, что сиденье действует на вас.
Наблюдатель видит эту силу, движущуюся с той же скоростью, что и автомобиль, точно так же, как наблюдатель увидел бы, что кто-то в машине толкает вас сзади, чтобы ускорить вас, или ускорял бы вас, если бы сиденье с днищем без трения было размещено на землю, и кто-то толкал вас.
Во всех случаях на вас действует сила, и по мере того, как сила совершает перемещение, эта сила совершает работу.
Возвращаясь к вашему вопросу.
Наблюдатель на дороге видит автомобиль с горизонтальной силой трения, действующей на автомобиль (шины).
Этот наблюдатель видит, что сила претерпевает смещение, следовательно, эта сила совершила работу.
Неважно, как возникла эта горизонтальная сила трения, дело в том, что на автомобиль действует постоянная горизонтальная сила, которая, как мы знаем, возникает из-за статического трения.
Эта сила, ускоряющая автомобиль, могла быть вызвана тем, что кто-то толкал автомобиль, где точкой контакта силы является автомобиль, и поэтому человек, применяющий силу, не движется относительно автомобиля.
При ускорении автомобиля из состояния покоя трение покоя СОВЕРШАЕТ положительную работу, которая представляет собой изменение линейной кинетической энергии автомобиля. НО это также делает отрицательную работу на колесе (создает противодействующий крутящий момент), что уменьшает кинетическую энергию вращения колеса. Таким образом, ЧИСТАЯ работа, выполняемая трением покоя, равна 0. Она просто преобразует некоторую часть кинетической энергии вращения двигателя в линейную кинетическую энергию до тех пор, пока не будет выполнено условие отсутствия проскальзывания. Это имеет смысл, если подумать, потому что у дороги нет энергии для передачи в систему.
Ответ @stafusa правильный. Увеличение кинетической энергии (КЭ) автомобиля происходит за счет уменьшения внутренней энергии автомобиля (от сгорания, аккумуляторов и т. д.) Это можно понять, используя первый закон термодинамики.
На дороге без трения увеличение KE будет постоянно увеличивать скорость вращения ведущих колес. Трение о дорогу уменьшает энергию вращения ведущих колес, что приводит к поступательному движению центра масс (ЦМ) автомобиля.
В условиях отсутствия проскальзывания шин на дороге трение не работает. Существует путаница в отношении этого пункта; необходимо признать, что трение способствует как поступательному движению ЦМ, так и вращательному движению ведомых колес. Я резюмирую причину, по которой трение не работает для условия отсутствия проскальзывания, используя два подхода.
(1) Работа трения равна . Мгновенная точка контакта шин с дорогой имеет нулевую скорость при отсутствии проскальзывания; так, равен нулю и трение не действует.
(2) Сила трения увеличивает ускорение центра масс (ЦМ) и, следовательно, совершает поступательную работу, которая положительна, но момент от трения относительно ЦМ совершает вращательную работу, отрицательную и равную по величине поступательной работе. . Следовательно, при отсутствии проскальзывания чистая работа трения (положительная поступательная плюс отрицательная вращательная) равна нулю.
См. ответ @jawheele на Как автомобиль получает кинетическую энергию? .
Кроме того, для связанной проблемы, когда объект катится по склону, см. два ответа @Dale и меня на вопрос « Выполняется ли работа крутящим моментом из-за трения при чистом качении?» . При отсутствии проскальзывания трение не работает; для трения скольжения работает, как обсуждалось в моем ответе.
Яшас
стафуза