Статическое трение — единственное, что может ускорить поезд?

Это сложный (и запутанный, или просто запутанный) способ сказать, что если вы хотите, чтобы локомотив тянул поезд, вы не хотите, чтобы его колеса скользили. Именно трение предотвращает проскальзывание колес.

Я предлагаю вам просто удалить это предложение:

Эта статическая сила трения рельсов, толкающих колеса вперед, является единственной силой, которая может ускорить поезд, тянуть его в гору или нейтрализовать силу сопротивления воздуха при движении с постоянной скоростью.

Абзац имеет гораздо больше смысла без него. Автор пытается добраться до третьего закона Ньютона (равная и противоположная реакция), но такая формулировка дает больше путаницы, чем понимания.

Здесь вам нужно подумать о том, что колеса катятся .

Если бы не было трения между колесами и гусеницей, запуск локомотива просто заставлял бы его ведущее колесо вращаться.

Трение действует, чтобы предотвратить или сопротивляться относительному движению между двумя поверхностями. Таким образом, если на колеса действует крутящий момент, а точка контакта не может двигаться относительно рельса (именно там, где она касается) из-за статического трения, колесо может вращаться только тогда, когда поезд движется относительно колеса.

Возникает вопрос, что вы пытаетесь узнать о трении из этого запутанного примера. Что может немного сбить с толку, так это то, что существует два типа трения: статическое трение и кинетическое трение . Кинетическое трение — это трение, связанное со скольжением двух веществ друг относительно друга, что может происходить только тогда, когда одно движется относительно другого. Следовательно, кинетическое трение связано с движением. Статическое трение — это трение, связанное с удержанием объекта в неподвижном состоянии. Однако, если рассматривать движение катящегося колеса, трение катящегося колеса является статическим трением, несмотря на движение колеса, потому что колесо на самом деле никогда не скользит по дорожке (или, по крайней мере, не должно).

Имя силы, которое вы ищете в последнем абзаце, называется «Нормальная сила». Посмотрите статью в Википедии о трении , если это поможет, так как она дает больше уравнений и диаграмм.

РЕДАКТИРОВАТЬ (после комментария ниже) Из исходного вопроса и комментариев мы видим, что дополнительный компонент этого вопроса должен был лучше понять более сложный случай упругой деформации. Чтобы понять это, рассмотрим массивный предмет на пружинящем матраце: тогда в материале будет U-образная или V-образная деформация. Моделирование этого потребует некоторой математики, и закон Гука (F=-kx) покажется наиболее подходящим приближением. Теперь, если этот объект двигался вперед с некоторой скоростью v, то соответствующая деформация также будет двигаться с этой скоростью. Также было бы необходимо смоделировать поверхностное натяжение материала (которое может разорваться, если напряжение будет слишком большим). В совокупности все это вызовет опережающие и отстающие деформации (и, возможно, колебания) в материале.

Поскольку это для компьютерной модели, мне не ясно, должна ли физика колебаний этого материала быть точно правильной в соответствии с некоторыми конкретными параметрами и уравнениями, или это просто эффект для демонстрации в какой-то компьютерной игре. В любом случае требуется дополнительное моделирование для определения уравнения такого движения на основе вышеизложенных принципов. Если мы имеем дело с движением автомобилей по дорогам или поездов по рельсам, то в этом дополнительном моделировании нет необходимости и такой упругой деформацией можно пренебречь.

Поскольку колеса пытаются катиться, они не могут катиться из-за силы трения, действующей в упоре. направлении. Когда сила тяги превышает предельную силу трения, колесо начинает катиться вперед относительно рельсов. Сила пытается вызвать относительное движение между колесами и рельсами. Поскольку рельсы не могут двигаться назад (из-за трения), колеса должны катиться вперед, чтобы вызвать относительное движение. Трение противодействует вращению колеса до предельного трения.