Трение, действующее между дорогой и шинами автомобиля

Так как же они придумали эту FBD, чтобы показать, что существует только одна сила трения в направлении, противоположном движению автомобиля?

Не обязательно есть только одно статическое трение вперед. Просто тот факт, что есть четыре колеса, подразумевает больше, чем одно. Но сумма всех сил трения покоя — это то, что изображено на диаграмме сил свободного тела.

И эта сумма должна быть обратной. Некоторые локальные силы статического трения здесь и там могут быть направлены вперед, но общая сумма должна быть направлена ​​назад. Других горизонтальных сил нет, поэтому, если бы эта полная сила трения покоя не была направлена ​​назад, автомобиль не замедлился бы - не было бы обратного ускорения (это 2-й закон Ньютона).

Кроме того, при торможении тормозная колодка давит на колеса, верно? Как взаимодействие между тормозной колодкой и колесами объясняет трение между шинами и дорогой, показанное на этой диаграмме свободного тела?

Колодки создают трение на колесе (внутри обода). Эта сила трения преобразуется в крутящий момент, который замедляет вращение колеса. Это более медленное вращение колеса теперь означает более медленную периферийную скорость колеса.

У катящегося колеса, которое не скользит, окружная скорость колеса точно соответствует (относительной) скорости поверхности. В противном случае каждая точка колеса не стояла бы на поверхности в момент касания поверхности. И тогда он будет не катиться, а скользить.

^{Источник: Академия всего, что имеет значение}

При окружной скорости колеса, равной (относительной) поверхностной скорости, все хорошо. Но как только колесо замедляется, эти две скорости больше не синхронизированы. Появляется статическая сила трения, которая замедляет автомобиль, так что (относительная) поверхностная скорость по-прежнему соответствует и равна периферийной скорости колеса.

Как торможение может удержать автомобиль на грани скольжения?

Как уже упоминалось, тормозные колодки создают кинетическую силу трения на внутреннем ободе колеса. Когда вы нажимаете на педаль тормоза, эти колодки сильнее прижимаются к ободу. Кинетическая сила трения равна :

$$f_k=\mu_k n$$

где нормальная сила$n$является мерой того, насколько сильно подушечки прижимаются к поверхности. При более сильном нажатии материал обода должен оказывать большее нормальное усилие.$n$чтобы не погнуться и не сломаться, и т.д.$n$увеличивается. Таким образом, кинетическая сила трения$f_k$увеличивается.

И когда это кинетическое трение увеличивается, противодействующий момент из-за этой силы трения увеличивается. Используйте 2-й закон Ньютона в его вращательной версии, чтобы увидеть, что больший крутящий момент вызывает большее отрицательное угловое ускорение и, следовательно, более быстрое замедление вращения колеса.

И, таким образом, более быстрое замедление самого автомобиля, поскольку возникает большее статическое трение между колесом и землей, чтобы избежать скольжения колеса по земле. Чем сильнее вы нажимаете на педаль тормоза, тем больше становится это статическое трение — оно регулируется нажатием на педаль.

Помните, что статическое трение имеет предел :

$$f_s\leq\mu_s n$$

Требуемое статическое трение для замедления автомобиля, чтобы колесо не скользило, должно быть ниже этого максимального предела. Если вы тормозите сильнее, статическое трение увеличивается, но это не проблема, если вы остаетесь ниже этого предела. Автомобиль будет замедляться быстрее, как и ожидалось.

Но если вы тормозите так сильно, что статическое трение должно увеличиться больше, чем это возможно для него — оно должно увеличиться выше своего максимального предела, чтобы вызвать замедление автомобиля, необходимое для предотвращения проскальзывания колес, — тогда это может произойти. т сделать это. Тогда статическое трение прекращается. Затем вступает в действие кинетическое трение между колесом и землей. А это значит и скольжение, и горение резины.

Следовательно, наиболее эффективное торможение является максимально возможным и ниже этого предела. Другими словами: наиболее эффективное торможение происходит на границе этого статического предела трения .

Если вы попытаетесь достичь этого предела во время торможения, вы можете превзойти его, и тогда вы почувствуете внезапную потерю сцепления с дорогой, когда статическое трение исчезнет, ​​а кинетическое трение вступит во владение.