В чем причина трения качения? И почему оно меньше трения скольжения?

«Трение качения» — неправильное название. Никогда не путайте это. Это не трение. Его СОПРОТИВЛЕНИЕ КАЧЕНИЮ - правильное название. Это вступает в игру, потому что в реальной жизни объекты не являются идеально жесткими. Он вступает в игру из-за деформации формы объектов при соприкосновении. Когда объект катится по другому БЕЗ проскальзывания, между ними возникает поверхностный контакт.

Это нормальная реакция, за которую отвечает взгляд на диаграмму. Тело, катящееся таким образом (на диаграмме), деформируется, и нормальные силы на передних частях поверхности всегда больше (независимо от того, твердая или мягкая дорога), что приводит к чистой обратной силе, которая постепенно останавливает катящееся тело. Деформация зависит от характера двух тел, в зависимости от их жесткости. Сопротивление качению обычно меньше статического трения. Оба выражаются в одной и той же форме, где коэффициенты называются коэффициентом сопротивления качению и коэффициентом статического трения. Экспериментально установлено, что коэффициент сопротивления качению меньше коэффициента трения покоя для тел одинаковой массы. Коэффициенты определяются экспериментально.

Есть несколько компонентов «трения качения».

Во-первых, ступичный подшипник неизбежно будет иметь некоторое трение (хотя в хорошо спроектированном подшипнике его очень мало).

Далее, если используются обычные пневматические (или просто жесткие резиновые) шины, вес «груза» вызовет деформацию резины. Резина является «вязкоупругим» материалом, а это означает, что ее сгибание приводит к потере энергии в виде тепла. Эта потерянная энергия должна быть, в свою очередь, «замещена» откачиванием энергии из катящегося колеса (т. е. трением).

Далее, когда шина изгибается, резина «извивается» и трется о дорожное полотно. Это «изгибание» тем хуже, чем сильнее изгибается шина, и на него также влияет профиль поперечного сечения шины.

С другой стороны, если колесо тверже дороги, дорога будет изгибаться, и практически все материалы для дорожного покрытия (особенно асфальт) поглощают энергию при изгибании, подобно резине.

Наконец, если дорога и колесо совершенно твердые, любые неровности на проезжей части (или на периферии колеса) заставят груз подпрыгивать вверх и вниз. Большинство грузов (особенно люди) будут изгибаться при подъеме и опускании, и энергия будет теряться из-за несовершенной эластичности.

Потери энергии (и, следовательно, трение) можно свести к минимуму, используя шину с очень тонкими стенками, так что практически все изгибы происходят в воздухе шины (с очень небольшими потерями), выбрав профиль шины, который сводит к минимуму «изгибание», а затем используя давление в шинах, достаточно высокое, чтобы свести к минимуму изгиб шины, но достаточно низкое, чтобы свести к минимуму изгиб проезжей части и отскок груза. Конечно, такая комбинация шин не может быть идеальной для сцепления и долговечности, и при этом она не обязательно обеспечит комфортную езду.

(Обратите внимание, что железные дороги, по сути, имеют «идеально» твердую «шину», а также «идеально» твердое «проезжую часть». Если рельсы гладкие и непрерывно сварены, то трение качения во много раз ниже, чем, скажем, у грузовых шин на проезжей части. Добавьте тот факт, что сопротивление ветра снижается из-за того, что вагоны натягиваются один за другим, и вы увидите, что железнодорожный транспорт достаточно энергоэффективен.)

Во-первых, я думаю, что будет лучше, если мы нарисуем свободные диаграммы тела и напишем уравнения движения, связанные с мотоциклом (например). Считать, что мотоцикл движется с ускорением$a$на жесткой дороге. Предположим, что колесо мотоцикла тоже жесткое. Заднее колесо — водительское. ($T_e$крутящий момент двигателя и$R$это радиус колес) Диаграмма свободного кузова для заднего колеса показана на рисунке ниже:

Не всегда бывает мягкая дорога. Что происходит на трудной дороге?

Трение всегда препятствует относительному движению соприкасающихся поверхностей. Ведущее колесо (заднее колесо в приведенном выше случае) имеет тенденцию вращаться из-за крутящего момента, создаваемого двигателем ($T_e$). Итак, сила трения ($f_r$) действует в направлении, противоположном вращению колеса . Ведущее колесо (в приведенном выше случае переднее колесо) имеет тенденцию к поступательному перемещению из-за усилия, передаваемого на него шасси ($F_2$). Итак, сила трения ($f_f$) действует в направлении, противодействующем перемещению колеса . Мы можем видеть все это на приведенных выше диаграммах без предположения, что дорога мягкая.

Каким образом гребень обеспечивает трение качения в направлении, противоположном качению?

Как видно на схемах свободных корпусов колес, для существования силы трения нет необходимости в гребне. Достаточно, чтобы два тела соприкасались и стремились двигаться относительно друг друга.

Почему трение качения меньше трения скольжения?

Я не согласен. Трение качения всегда не меньше трения скольжения . Поскольку трение качения — это статическое трение, а трение скольжения — кинетическое трение, и мы знаем, что$\left(f_s\right)_{\textrm{max}}\gt f_k$. Вероятно, в книге имеется в виду « обычно трение качения меньше максимального трения покоя ($\left(f_s\right)_{\textrm{max}}$) и трение скольжения ($f_k$)». Но, это не всегда так. Для проверки этого вопроса нам нужны числовые данные. К сожалению, мне не удалось найти много информации, но с помощью некоторых данных, которые я нашел на сайтах ниже, мы можем провести простое сравнение.

$\mu_s$а также$\mu_k$из: https://en.wikibooks.org/wiki/Physics_Study_Guide/Frictional_coefficients

Максимальный крутящий момент, масса мотоцикла и радиус колеса: http://www.yamaha-motor.eu/eu/products/motorcycles/hyper-naked/mt-10.aspx?view=featurestechspecs

Во-первых, рассмотрим равномерное движение по прямой (думаю, в книге упоминался этот случай). Предположим, что мотоцикл Yamaha MT-10 движется с максимальным крутящим моментом с постоянной скоростью (максимальной скоростью). Также предположим, что масса наездника равна$60\;\mathrm{kg}$. Из уравнения$4$, в качестве$\alpha=0$, у нас есть

$\left(T_e\right)_{max}=111\;\mathrm{Nm}$

$R=0.22\;\mathrm m$

$M=270\;\mathrm{kg}$($M$представляет собой сумму масс мотоцикла и мотоциклиста)

$\mu_s=0.85$

$\mu_k=0.67$

Итак, мы получаем

$N_r=\large{\frac{Mg}2}=1350\;\mathrm N$

и поэтому

$\left(f_s\right)_{\textrm {max}}=\mu_sN_r=1148\;\mathrm N$

А также

$f_k=\mu_kN_r=905\mathrm N$

Итак, очевидно$f_r$намного меньше, чем$f_k$а также$\left(f_s\right)_{\textrm {max}}$

Нет необходимости в расчетах для сравнения в случае, если мотоцикл движется с ускорением. Потому что, если всадник использует максимально возможное ускорение для начала движения из состояния покоя без скольжения; тогда конечно$f_r$станет$\mu_sN_r$что явно больше, чем$\mu_kN_r$

Вы можете утверждать, что «возможно, что если мы вычислим это максимальное ускорение, предполагая$f_r=\mu_sN_r$, это не соответствует максимальному крутящему моменту двигателя». Т.е. возможное максимальное ускорение не гарантирует, что$f_r=\mu_sN_r$. Это утверждение справедливо, и вы можете проверить его по числовым данным (если они у вас есть), но мы экспериментально знаем, что если слишком сильно и резко крутить рычаг газа, то заднее колесо обязательно будет скользить (заметьте, у нас Ямаха МТ-10! )

Представьте себе колесо, вращающееся по часовой стрелке (автомобиль движется вправо). В точке контакта с полом эта точка на колесе будет двигаться влево, поэтому трение будет направлено вправо (это то, что на самом деле заставляет машину двигаться вперед).

Относительно того, почему трение качения обычно больше статического. Это связано с тем, что статическое трение (трение качения является формой статического трения) может иметь максимальное значение до$\mu_{static} N$. Это до, но обычно меньше. Представьте себе массу, покоящуюся на столе, к которой не приложены горизонтальные силы. В таком случае статическое трение равно нулю и начнет увеличиваться до максимума, если вы начнете толкать массу горизонтально. Как только вы достигнете максимального статического трения, масса начнет двигаться. Теперь трение динамическое и постоянное.$F_{sliding}=\mu_{dynamic}N$. Обычно$\mu_{dynamic}<\mu_{static}$, поэтому трение скольжения обычно меньше максимально возможного трения покоя.

Трение качения имеет сложное происхождение, в отличие от трения покоя и трения скольжения. Во время качения соприкасающиеся поверхности на мгновение немного приподнимаются, и это приводит к тому, что тело Донни (а не точка) соприкасается с поверхностью. Чистый эффект заключается в том, что составляющая силы сжатия, параллельная поверхности, противодействует движению.