Как автомобиль получает кинетическую энергию?

Я понимаю, что двигатель передает мощность на колеса, а трение о землю заставляет колеса катиться. Однако, учитывая мощность (работу за время) на колесах, как эта энергия становится кинетической энергией автомобиля, поскольку сила трения о дорогу не совершает никакой работы?

Это просто потому, что колеса катятся, заставляя внутренние силы на оси / раме / кузове автомобиля выполнять работу, ускоряя автомобиль и получая кинетическую энергию?

Я предполагаю, что мы игнорируем трение, сопротивление воздуха и это ровная дорога.

Если пренебречь трением, то машина не едет, потому что колеса крутятся.
@DJClayworth - В. Сколько физиков нужно, чтобы поменять лампочку? О. Нет, потому что, пренебрегая силой вымысла, это невозможно. Придумал это на первом курсе колледжа.
Просто для ясности, вы по-прежнему считаете, что статическое трение на колесе не действует на автомобиль?
Вся Работа происходит внутри цилиндров двигателя. Каждый цилиндр движется по мере того, как камера сгорания расширяется, когда на нее давят выхлопные газы. Работа - это перемещение цилиндра, умноженное на приложенную силу (интегрированную). Остальная силовая передача, колеса и дорога — это просто «рычаги и шкивы».
@EuroMicelli Спасибо, но меня заинтересовал ответ Кевина.
@EuroMicelli Эти рычаги и шкивы также взаимодействуют друг с другом, заставляя машину двигаться. Только потому, что внутренняя энергия высвобождается и преобразуется в кинетическую энергию, это не то же самое, что говорить, что работа совершается только в этой точке. Это как раз то место, где газ действует на поршни. Затем поршни продолжают работу над следующим компонентом.

Ответы (6)

как эта энергия становится кинетической энергией автомобиля, если сила трения о дорогу не совершает никакой работы?

Это то, что я видел несколько раз на этом сайте в последнее время, и я не согласен с этим.

Статическое трение совершает чистую поступательную работу автомобиля. Он прикладывает силу в направлении смещения; над автомобилем совершается работа за счет силы трения покоя. Я не вижу никакого способа обойти это с определением работы.

Двигатель (через трансмиссию) работает на колеса . Это то, что заставляет их вращаться. Вращающиеся колеса теперь могут выполнять работу против дороги, а дорога обеспечивает почти равную и противоположную работу назад с некоторыми потерями. Поскольку мы говорим о работе, совершаемой над автомобилем, а не над системой «автомобиль + дорога», мы можем видеть, что, когда вы изолируете силы, действующие на автомобиль, статическое трение абсолютно работает по традиционным определениям. Он обеспечивает силу в направлении движения.

Если мы игнорируем трение (как упоминается в вашем вопросе), дорога, очевидно, не может воздействовать на автомобиль, и вся мощность двигателя просто уходит на вращательную работу колес. Вам нужно, чтобы колеса были соединены с дорогой за счет трения, чтобы фактически получить любую поступательную работу / кинетическую энергию от этого вращения. Вот как статическое трение действует на автомобиль.

Комментарии не для расширенного обсуждения; этот разговор был перемещен в чат .

Было дано несколько ответов, касающихся основного момента, заключающегося в том, что трение служит для преобразования энергии, вырабатываемой двигателем, в кинетическую энергию автомобиля, но, похоже, ни один из них не касается механизма, лежащего в основе этой передачи энергии. Единственной силой, ускоряющей автомобиль на дороге, является статическое трение, по-видимому, указывающее на то, что дорога совершает работу над автомобилем. Если двигатель должен поставлять энергию, что дает? В частности, вы спрашивали в комментариях "откуда дорога будет брать [энергию]?"

Представим себе сценарий, в котором нет трения между колесами и дорогой. Когда двигатель работает, а автомобиль остается неподвижным, двигатель по-прежнему передает энергию автомобилю в виде кинетической энергии вращения колес. То есть без опосредующей силы трения прямым результатом работы двигателя является предоставление вращательной кинетической энергии колесам.

Теперь включим трение, чтобы машина начала разгоняться. Как отмечалось ранее, мы вынуждены признать, что трение выполняет поступательную работу с автомобилем, будучи единственной силой-кандидатом, обеспечивающей ее. Однако это еще не все, что делает трение - сила статического трения также передает крутящий момент на колеса автомобиля в направлении, противоположном их вращению. Напомним, что так же, как силы действуют согласно ∫ Ф → ⋅ д с → , крутящие моменты работают согласно ∫ т → ⋅ д θ → . Следует сделать следующее наблюдение: если колесо имеет радиус р , условие прилипания вращения колеса (т.е. условие статичности трения) состоит в том, что д с "=" р д θ по мере того, как машина перемещается на расстояние д с и колесо поворачивается на угол д θ . Поскольку крутящий момент и сила трения на данном колесе связаны соотношением т ф "=" р Ф ф , Мы видим, что

Вт ф т р "=" ∫ Ф ф д с "=" ∫ Ф ф р д θ "=" ∫ т ф д θ "=" − Вт ф р о т .

То есть поступательная и вращательная работы, совершаемые трением, равны и противоположны (отрицательный знак в окончательном равенстве обусловлен тем, что крутящий момент противоположен вращению колес), так что общий эффект трения состоит в том, чтобы не совершать никакой работы. машина. Таким образом, мы примиряем кажущиеся противоречивыми наблюдения о том, что дорога не передает энергию автомобилю, но выполняет поступательную работу, ускоряя его.

Переворачивая это утверждение, мы видим, что работа, совершаемая колесами на дороге, равна поступательной работе, совершаемой трением автомобиля, что предполагает интерпретацию, что дорога «получает свою энергию» для ускорения автомобиля от вращения колес. кинетическая энергия, которая, в свою очередь, была получена от двигателя.

Спасибо, что написали это. На самом деле я пришел к такому же выводу в чате с Йоханом Либертом ранее. chat.stackexchange.com/transcript/message/53248613#53248613 Я подумал, что добавление его к моему ответу просто запутает его, поэтому приятно видеть его как ответ сам по себе.
Вы путаете псевдоработу с настоящей работой. Опять же, смещение точки приложения всегда равно нулю между силой трения о шину и дорогу. Это похоже на работу, но это не так. Читайте Пол Типлер, физика для ученых и инженеров
Скорость в пятне контакта равна нулю, поэтому транснациональная работа в пятне контакта равна нулю. Крутящий момент в пятне контакта равен нулю, поэтому вращательная работа в пятне контакта также равна нулю.
@KevinCSpeltz Вывод из моего ответа заключается в том, что дорога не работает в сети и сама не дает энергии - мы согласны с этими пунктами. Моя цель состояла в том, чтобы сообщить, что это происходит не просто из-за какого-то произвольного подпункта о стационарных точках в эвристическом определении (как, кажется, подразумевается в вашем инженерном тексте), а вместо этого логически следует из математического определения (данные интегралы, которые делают нет ссылки на движение между точками контакта). Чтобы прийти к такому заключению, нужно просто учесть все пути, по которым сила трения могла бы совершать работу.
@KevinCSpeltz Я ожидаю, что многие вводные тексты используют подход «произвольных подпунктов», потому что они хотят сообщить об этом факте при первом обсуждении переводческой работы, что обычно происходит задолго до того, как они говорят о ротационной работе. Хотя дух содержания вводных текстов почти всегда верен, имейте в виду, что они (особенно те, которые написаны для инженеров/химиков/и т. д.) почти всегда вырезают формальные определения и лежащую в их основе логику в интересах сделать предмет более привлекательным для слушателя. читатель, которому нужны только инструменты и результаты.
Я нашел ваш ответ немного запутанным, так как я думаю, что вы используете COM колеса в качестве точки анализа. Я думаю, вы говорите, что дорога добавляла бы энергию колесу, если бы оно давило на центр масс (который движется вперед), но, поскольку она также прикладывает крутящий момент к ЦУ, эта энергия снова будет удалена. Чего я не понимаю, так это того, почему вы анализируете вокруг центра масс, а не в точке контакта, где отсутствие движения дает понять, что передачи энергии нет.
Интересно, могли бы вы применить аналогичные энергии сложения и вычитания, которые нейтрализуют сценарий, который я описал в своем ответе с пружиной? Если нет, то чем отличаются сценарии?
Вот почему я продолжаю долбить свой учебник по физике. это сводится к работе, являющейся силой через смещение точки приложения. Поскольку пятно контакта не движется, дорога не работает. Если бы дорога работала, тогда у нас были бы двигатели меньшего размера и тому подобное. Трение — это преобразователь, поэтому оно выглядит как работа, но реальной энергии оно не добавляет. Примеры похожи на ходьбу
@KevinCSpeltz Раз уж вы заговорили о ходьбе, взгляните на этот сайт quora.com/Can-static-friction-do-work .
@Rick Мы работаем со смещением COM колеса, потому что хотим разложить на вращательную и линейную кинетическую энергию (чтобы мы могли проанализировать роль статического трения в преобразовании одной в другую, поскольку одна из них - это непосредственно энергия, поставляемая двигателем а другой - это движение автомобиля вперед) - простое отношение твердого тела К Е т о т "=" К Е т р + К Е р о т только если К Е т р – кинетическая энергия движения ЦМ. Изменение этой величины представляет собой интеграл ∫ Ф → ⋅ д с → по пути COM.
Боб, это с форума физики и согласуется с моей книгой по физике в колледже. Вы не можете использовать com для работы, если вы не рассматриваете его как точечную частицу, которой тело не является. спасибо за помощь, теперь я в порядке. физикфорумс.com/threads/…
@KevinCSpeltz Правильно, поэтому есть дополнительный термин для работы вахтовым методом. Вклад COM — это только часть общей работы (которая равна нулю). Вся моя мысль в том, что из фактического определения работы (которое не имеет ничего общего с контактными точками) не очевидно , что дорога не работает. Нужно показать, что это так, что и делает мой ответ.
Я скажу это снова. Энергия – это способность совершать работу. Какая энергия должна быть у земли, чтобы совершить работу? Мы можем не согласиться. Я получил мою помощь спасибо.

Без трения ваша машина не сдвинется с места. Несмотря на то, что трение не совершает чистую работу, оно действует как преобразователь энергии и передает внутреннюю энергию, подаваемую двигателем, в автомобиль в виде поступательной кинетической энергии.

Комментарии не для расширенного обсуждения; этот разговор был перемещен в чат .

Я думаю, что вы правильно поняли основы, вопрос можно решить, рассматривая автомобиль как комбинацию компонентов, а не как единую точечную массу, а также различая статическое трение, когда автомобиль неподвижен, и когда он движется.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Как правильно указано в комментариях, в этом случае нам не нужно прибегать к кинетическому трению. Ответ был исправлен в этом пункте.

Рассмотрим эту последовательность шагов во времени:

(0) Автомобиль стоит. Статическое трение действительно присутствует, и оно не совершает никакой работы.

(1) Двигатель сжигает топливо для выработки энергии.

(2) Эта энергия преобразуется в крутящий момент и передается на колеса.

(3) Крутящий момент на колесах преобразуется в тангенциальную силу при контакте колеса с дорогой.

(4) Этой силе противодействует трение покоя.

(5) Когда крутящий момент на колесах достаточно высок, тангенциальная сила становится выше силы статического трения (ограничивается коэффициентом трения).

(6) В этот момент колеса начинают катиться, и теперь создаваемое статическое трение поддерживает их движение . (Если бы не было трения покоя, колеса вращались бы, а машина не двигалась. Если бы крутящий момент на колесах был действительно высоким, колеса крутились бы, И машина двигалась бы, или, скорее, скользила бы. В этом случае кинетическое трение будет на работе).

Таким образом, сила , вызывающая чистое движение/ускорение, является равнодействующей тангенциальной силы из-за крутящего момента и силы трения покоя. Энергия для создания обеих этих сил обеспечивается двигателем. Таким образом , работа выполняется двигателем, а дорога служит лишь поверхностью для создания необходимой реакции.

Я думаю, что я делаю акцент на следующей идее - статическое трение очень сильно существует даже без двигателя или когда автомобиль стоит. Статическое трение отвечает за движение только тогда, когда двигатель (или какой-либо другой источник энергии) создает комбинацию сил, которая может вызвать чистое движение.

Спасибо! После обсуждений с коллегами-инженерами и некоторых опубликованных книг ваше описание является правильным и имеет смысл, как благодаря мощности, развиваемой двигателем, колесо, сдерживаемое трением, движется вперед (катится), что приводит к тому, что мощность двигателя становится кинетической энергией. из машины. Спасибо, что нашли время, чтобы прочитать ерунду и исправить это
Колеса, катящиеся без проскальзывания, будут иметь статическое , а не кинетическое трение.
Я предлагаю удалить части о кинетическом/динамическом трении/трении качения и просто сосредоточиться на том, как автомобиль ускоряется после того, как он уже движется. Я думаю, это сделало бы ответ более ясным.
@JMac- Вы абсолютно правы, я исправил это в ответе. Я ошибочно называл статическое трение во время качения кинетическим трением. Спасибо!
@ Рик, я понимаю, что ты имеешь в виду, пытался сделать это в ответе. Думаете, теперь стало понятнее? Если нет, пожалуйста, не стесняйтесь редактировать! Спасибо.
@AppliedAcademic После прочтения вашего ответа мне все еще неясно, какова ваша позиция в отношении статического трения на автомобиле. Итог: просто чтобы внести ясность, вы считаете, что статическое трение действует на автомобиль или нет?
@BobD- Я думаю, что бесполезно думать о силах как о «выполняющих работу», потому что это предполагает некоторую свободу действий (и, следовательно, энергию и т. Д.). Силы (могут) создавать ускорение, а тела, обладающие энергией (могут) совершать работу. Кроме того, в движущейся машине действует комбинация сил, одна из которых возникает из-за статического трения. Эта комбинация сил приводит к ускорению автомобиля. Уберите любую силу (включая трение покоя), и ускорение не произойдет. Мне жаль, что я не даю вам ответа «да/нет», потому что я считаю, что вопрос не оптимально сформулирован для одного.
@AppliedAcademic Все в порядке. Я полагаю, что не должен был ожидать ответа да/нет.
Я не думаю, что это совсем правильно. Если тангенциальная сила на поверхности шины выше предела статического трения, противодействующего ей, колесо пробуксовывает - не как при вращении вокруг своей оси, оно крутится относительно земли. В нормальных условиях часть шины, соприкасающаяся с землей, всегда неподвижна по отношению к земле.
Обратите внимание, что такая же кинетическая энергия была бы получена, если бы двигатель использовался для работы лебедки, которая тянула бы автомобиль с тем же ускорением. Конечно, это будет ограниченный аффект, так как рано или поздно вы окажетесь в конце своей веревки.
@ Дэвид, я понимаю, откуда ты, и я частично согласен. Различие, которое я хотел бы провести, это снова статическое и кинетическое трение; вращение относительно земли происходит при активном кинетическом трении. Кинетическое трение становится активным, когда тангенциальная сила не только больше, чем сила трения покоя, но и намного больше. Я не думаю, что есть число для того, насколько велико «намного больше», но для перспективы это было бы похоже на 10-метровую остановку гоночного автомобиля; сила, вызванная внезапным торможением, намного больше, ненамного больше, чем сила трения покоя.
@AppliedAcademic Это не так. Кинетическое трение начинает действовать, как только сила становится слишком большой для статического трения, и две поверхности начинают двигаться относительно друг друга. Кинетическое трение представляет собой меньшую силу, чем максимальное статическое трение. Когда гоночный автомобиль останавливается, это меньше максимальной мощности торможения. Вы хотите, чтобы ваши колеса катились, когда вы останавливаетесь, потому что это увеличивает трение. Это ключевой элемент антиблокировочной тормозной системы.
@JMac - Как вы думаете, лучше перенести это в чат? (не знаю как). Я хотел бы с уважением оспорить вашу интерпретацию по всем пунктам, кроме двух, которые верны, но я считаю, что ваш вывод по этому поводу неверен.

Сначала давайте взглянем на более простой пример стационарного объекта, обеспечивающего ускорение чего-либо:

Блок с пружиной прижимают к стене, а затем отпускают.введите описание изображения здесь

Энергия для ускорения блока накапливается в пружине. Когда блок отпускается, пружина расширяется, конец пружины, прикрепленный к скользящему блоку, начинает двигаться, и, поскольку он обеспечивает силу, работа, передаваемая от пружины блоку, равна скорости, отмеченной силой. Работа на другом конце пружины равна нулю, потому что скорость равна нулю. Пружина использует неподвижную стенку для преобразования внутреннего напряжения/энергии пружины в кинетическую энергию блока. Никакая энергия не передается к стене или от стены.

Теперь давайте рассмотрим более сложную систему автомобиля, оси, колеса и дороги. Ось передает энергию от двигателя к энергии вращения колеса. Колесо использует дорогу для преобразования энергии вращения в энергию поступательного движения. Этот процесс не включает передачу энергии к дороге или от дороги, потому что поверхности, на которые действует сила, не имеют скорости. Колесо передает поступательную энергию оси, подшипнику и остальной части автомобиля. Все эти передачи возможны, потому что сила, отмеченная скоростью (или крутящий момент, отмеченный скоростью вращения), отлична от нуля.

Итак, Рик, это имеет смысл в том, как энергия превращается в кинетическую энергию. Итак, в конце концов, чтобы ответить на другой вопрос, земля не работает правильно? Как вы говорите, этот процесс не включает передачу энергии на дорогу или обратно. Если да, то я согласен и спасибо
@KevinCSpeltz правильно. Земля не работает, потому что она не движется.
Рик, вчера я зашел в свою книгу и на другой форум, чтобы получить помощь.... как может так много людей спорить со мной, я чувствовал, что сошел с ума. Спасибо за разъяснение с положительным примером.
Технически, на дорогу передается небольшое количество энергии , поэтому дороги изнашиваются (кусочки асфальта/бетона вероятностно разрушаются каждый раз, когда по ним проезжает машина). Кроме того, если бы в вашем примере к стене не передавалась энергия, не имело бы значения, насколько велика, мала или плотна стена. Первоначальное сжатие пружины также сжимает стенку и делает ее частью пружины, поэтому я полагаю, что это также вносит незначительную часть в конечный результат. В целом, хороший пример, однако.
@LawnmowerMan да, здесь используются типичные физические предположения, например, твердые тела (кроме пружин) имеют бесконечный модуль упругости и т. д. Реальная ситуация всегда сложнее.

Так много форм кинетической энергии в автомобилях, поэтому, чтобы не вдаваться в подробности, несколько основных из них. Если это внутреннее сгорание, определенное количество топлива / сжатого воздуха воспламеняется, производя энергию, чтобы привести поршень / шатун вниз к коленчатому валу для вращения. это и остальные внутренние детали, включая маховик (механическая коробка передач), который имеет соответствующий вес, чтобы обеспечить достаточную энергию Kinetec с помощью зубчатых редукторов в трансмиссии для вращения карданного вала, поворота другого зубчатого редуктора / шестерни, установленной для начала движения и вращения массы осей / тормозные роторы/колеса/шины плюс масса автомобиля, я вижу это как множество комбинаций кинетической энергии, которые возникают в результате воспламенения смеси сжатого воздуха/топлива, которая, однако, изначально нуждается в электричестве, чтобы включить электрический стартер, чтобы инициировать эту цепную реакцию,переменные трения и сопротивления воздуха будут ограничивать возможную кинетическую энергию, однако по-прежнему в основном это соотношение эффективности двигателя (турбо, без наддува, гибрид) + рабочий объем двигателя = общая мощность (как бы вы ее ни рассматривали, л.с., ватты, и т.д.) двигателя в сочетании с типом топлива и массой транспортного средства, которые будут равны кинетической энергии.

Как автомобиль получает кинетическую энергию?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v