Если игрушечная машинка на батарейках движется с постоянной скоростью по полу без проскальзывания, как нарисовать и обозначить ее силовую диаграмму?
Очевидно, что при движении с постоянной скоростью результирующая сила в направлении движения равна нулю, но если за поступательное движение без проскальзывания отвечает статическое трение между шиной и полом, то какая сила ее уравновешивает? Очевидно, что это не может быть сопротивление воздуха, так как оно, по-видимому, также сработает на Луне или в вакуумной камере.
Если вы рассматриваете идеализированную ситуацию без сопротивления качению, то, когда колеса катятся с постоянной скоростью/угловой скоростью, так что , сила трения покоя на колесах станет равной нулю, поскольку скорость точки контакта будет равна нулю (принцип суперпозиции)
Ключевым моментом является то, что тяга от электродвигателя непостоянна. По мере увеличения скорости (оборотов) электродвигателя крутящий момент (и, следовательно, тяга) уменьшается .
Первоначально крутящий момент / тяга намного выше, чем сопротивление, поэтому игрушечная машинка ускоряется. Но по мере увеличения скорости автомобиля (и оборотов электродвигателя) тяга уменьшается, и в какой-то момент она становится равной внешним силам сопротивления, которые примерно постоянны.
Итак, какие внешние силы сопротивления существуют? Сопротивление воздуха остается довольно низким и незначительным для игрушечной машинки. (Если нет встречного или попутного ветра.) Как указывает Флорис, также существует статическое трение на неведущих колесах и «сопротивление качению» на всех колесах.
Пока автомобиль ускоряется, сила тяги должна противодействовать поступательной инерции автомобиля, а также вращательной инерции неведущих колес, которые опираются на землю. Статическое трение о землю (действующее назад) препятствует любому ускорению этих колес. Итак, как утверждает Флорис, статическое трение действует в противоположных направлениях на ведущие и свободные колеса. Трение в подшипниках также препятствует любому вращению этих колес; поэтому, когда автомобиль движется с постоянной скоростью, сила трения покоя требуется только для преодоления трения в этих подшипниках.
Трение в подшипниках также препятствует движению ведущих колес, но технически это уменьшает тягу, которую они передают земле. (Вы можете нарисовать 3 отдельных FBD для двигателя/шасси, колес/подшипников и дороги. Тогда трение в подшипниках всех колес будет внешним по отношению к двигателю/шасси.)
Сопротивление качению возникает из-за асимметрии сил, которые деформируют колеса или землю (или и то, и другое) при движении колес. Это может также включать любую тенденцию колес прилипать к земле.
Как говорит Гарип, все силы сопротивления (включая сопротивление воздуха) обычно суммируются в одной силовой стрелке на FBD, в направлении, которое противодействует относительному движению между автомобилем и землей.
Это интересный вопрос.
Пренебрегаем трением качения. Силы, замедляющие автомобиль, — это трение в подшипниках. Если принять систему за автомобиль и все его части, то эти силы возникают внутри системы. Трудно понять, как их можно рассматривать как внешнюю силу, воздействующую на автомобиль.
В конечном счете, однако, сопротивление колес передается на трение между шинами и дорогой точно так же, как передающая сила, создаваемая двигателем, передается на трение. Если вы представите автомобиль, движущийся с постоянной скоростью, и подумаете о границе раздела между шинами и дорогой, становится понятно, что результирующая сила трения покоя в точке контакта равна нулю.
Одна из причин, по которой об этом трудно думать, заключается в том, что система имеет источник энергии и может совершать работу, а это означает, что система может генерировать силу. Сила, ускоряющая автомобиль, является силой реакции на силу, создаваемую самим автомобилем.
Итак, на свободной диаграмме тела у вас будет две стрелки. Один направлен вперед, другой назад. Обе силы трения. Им может понадобиться более качественная маркировка, чтобы лучше идентифицировать их.
Обновлять
Я думаю, что точка зрения, изложенная в ответе @xasthor, является лучшим анализом. Я оставлю ответ, потому что обсуждение внутренних частей автомобиля может быть кому-то полезно.
Гарип
ксастор
Гарип