Sledovali jste někdy s úžasem, jak pickup táhne obrovský náklad cihel? Pokud jste si mysleli:"Páni, to odporuje fyzikálním zákonům!" mýlili byste se.
Věřte tomu nebo ne, fyzikální zákony (nebo přesněji zákony pohybu) ve skutečnosti umožňují kamionu o hmotnosti 5 000 liber (2 268 kilogramů) táhnout náklad o hmotnosti 10 000 liber (4 536 kg). Je součástí souhry mezi energií vyvíjenou motorem nákladního vozu a gravitačními silami. To však není maličkost; pokud si pamatujete na třetí Newtonův pohybový zákon, víte, že od okamžiku, kdy se váš náklaďák začne pohybovat, existují síly, které mu odporují na každém kroku.
Pokud rozumíte fyzice jízdy, rozumíte fyzice tažení. Ve skutečnosti existuje poměrně jednoduchý způsob, jak se na proces podívat.
Existují tři stavy, do kterých může váš vůz vstoupit, pokud jde o řízení a tažení:klid, zrychlení a konstantní rychlost. Když je převodovka vašeho nákladního vozu v parku a váš vůz je nehybný, považuje se za klidový. Gravitační tlak směrem dolů ke středu Země a vzestupný tlak ze Země (tzv. normální síla ) postavte se proti sobě, aby váš vůz zůstal v klidu. Váš vůz zůstane stát – koneckonců předmět v klidu má tendenci zůstat v klidu.
Ale ty nechceš odpočívat, ty chceš tahat. To znamená, že musíte překonat tuto tendenci odpočívat pomocí aplikované síly . Naštěstí pro vás má váš vůz motor, který dokáže produkovat energii, která slouží jako aplikovaná síla potřebná k tomu, abyste se mohli pohybovat. Zatímco protilehlé normální a gravitační síly stále přetrvávají, pro zrychlení se budete muset vypořádat se silami tření. Spíše než nahoru a dolů tyto síly existují paralelně se zemí a tlačí v opačném směru, než se chcete pohybovat. Nemůžeš si odpočinout z hlediska fyziky, že?
Zatím s námi? Dobrý. Pokračujte ve čtení, abyste se dozvěděli více o fyzice tažení.
Existují dva druhy třecích sil, které působí proti vám, když řídíte svůj vůz. Statické tření je tření, kterému budou vaše pneumatiky čelit, než dosáhnou prahu pohybu . Jakmile se vaše kola začnou pohybovat, práh pohybu byl překročen a vaše pneumatiky se nyní musí vypořádat s kinetickým třením -- nebo v případě kola valivé tření . Aby se zrychlilo, musí být statické tření překonáno aplikovanou silou, ale to není případ valivého tření. Místo toho je cílem zrychlit, dokud se použitá síla nevyrovná velikosti valivého tření působícího na pneumatiky. Jakmile velikost použité síly odpovídá velikosti valivého tření, dosáhli jste bodu konstantní rychlosti. Možná to znáte jako cestovní rychlost – bod, kdy nezrychlujete ani nezpomalujete, ale jen vesele cestujete.
Všechny tyto řeči o fyzice by neznamenaly mnoho, nebýt způsobu, jakým vaše auto využívá sílu z motoru k pohonu vašeho náklaďáku po silnici. Dělá to tak, že produkuje točivý moment , což je energie, která otáčí kolem kolem své osy. Síla vytvořená vaším motorem je distribuována na kola vašeho nákladního vozu prostřednictvím převodovky, která otáčí hnací hřídel a rozděluje točivý moment na kola.
Točivý moment se liší od energie potřebné k pohybu něčeho v horizontální rovině. Přemýšlejte o tom takto:Řekněme, že na jejím okraji stojí čtvrtina, kterou máte v úmyslu srolovat do chodby. Můžete zatlačit na okraj prstem pohybem shora dolů, aby se posunul vpřed, nebo pohybem zdola nahoru, aby se otočil dozadu. Právě jste použili točivý moment. Nyní zkuste posunout čtvrtinu dopředu, aniž byste ji valili. Moc dobře to nefunguje, že? Čtvrť jen klouže po povrchu, což ztěžuje ovládání - není to příliš efektivní způsob pohybu. Toto je výzva, která je před vaším nákladním vozidlem vystavena pokaždé, když jedete:pohyb vpřed bez smyku.
Zdá se to dost jednoduché; sešlápnete plynový pedál a motor rozděluje točivý moment na hnací hřídel, která roztáčí nápravu a následně i kola. Pokud ale motor produkuje příliš velký točivý moment, vaše pneumatiky překonají valivé tření, se kterým se setkávají od vozovky, a budou zbytečně (a možná i nebezpečně) smykovat. Co chcete, je, aby vaše pneumatika nikdy neopustila silnici.
Zní to trochu divně, ale když váš vůz jede správně, spodní část pneumatiky – doslova tam, kde se guma setkává s vozovkou – zůstává v klidu. To, co tvoří spodní část pneumatiky, se mění, protože všechny body na běhounu mají možnost sloužit jako spodní část pneumatiky, když dokončí plnou rotaci. Stejně tak umístění spodní části pneumatiky vzhledem k vozovce. Ale co se týče gravitace a normální síly, spodní část pneumatiky je v klidu, protože nikdy neopustí vozovku.
Tak co to má sakra společného s odtahem? Spousta. Co tím myslíme, uvidíte na další stránce.
Vše, co jste se právě naučili o tom, jak fyzika udržuje váš nákladní vůz v hladkém pohybu, lze extrapolovat na tažení.
Máte-li pohon všech kol, jsou všechny čtyři pneumatiky spojeny s hnacími hřídeli, a tak přijímají točivý moment, aby je posouvaly. Pokud máte pouze pohon zadních nebo předních kol, nemusíte se bát:Točivý moment distribuovaný na vaše hnací kola způsobí, že se pohnou i kola, která jsou na cestě. Protože jsou připojena k vašemu nákladnímu vozu, budou se tato kola pohybovat, když se začnou rozjíždět hnací kola. Hmotnost by měla být rozložena rovnoměrně po celém nákladním vozidle, což znamená, že každé kolo – ať už je připojeno k hnací hřídeli nebo ne – čelí stejné výzvě.
Vzhledem k tomu, že vaše pneumatiky jsou tam, kde se guma setkává s vozovkou – nebo spíše v místě, kde se gravitační síla tlačící dolů na vaše nákladní vozidlo setkává s normální silou tlačící nahoru – je zde rozložení hmotnosti. Je-li váha rozložena rovnoměrně, je rovnoměrně rozložena i normálová síla, se kterou se setká, protože normálová síla je úměrná hmotnosti vašeho nákladního vozu. To znamená, že normální síla, se kterou se každá pneumatika setká, je přibližně jedna čtvrtina hmotnosti vašeho nákladního vozidla. Toto rovnoměrné rozložení síly vede ke stejnému množství statické a následně kinetické síly, se kterou se každá pneumatika potýká, když se pohybuje ze své klidové polohy do zrychlení a nakonec konstantní rychlosti. Takže točivý moment, který stačí k pohybu jednoho kola, pohne všemi. Není-li hmotnost vašeho nákladního vozu rovnoměrně rozložena, pak pneumatiky s nižší hmotností budou smykovat nebo klouzat, protože točivý moment, který přijímají, překonává, spíše než se rovná valivému tření, s nímž se setkávají od vozovky.
To platí se čtyřmi pneumatikami na vašem nákladním vozidle stejně jako se dvěma nebo čtyřmi dalšími pneumatikami, které přidáte, když táhnete přívěs. Je to proto, že pokud jde o fyzikální zákony, když je váš přívěs připojen k vašemu náklaďáku, je považován za jeden celek. Hmotnost nákladního automobilu a hmotnost přívěsu sdílí společnou hmotnost. To znamená, že rozložení hmotnosti zůstává důležité. Pokud je správně rozložena, pneumatiky – ať už jsou čtyři, šest, osm nebo 50 – budou všechny čelit stejnému tření, když překročí práh a zrychlí.
Jak tedy může náklaďák o hmotnosti 5 000 liber táhnout náklad o hmotnosti 10 000 liber? Krátká odpověď je, že nemůže, pokud to nemá správný druh závěsu. Pokud se podíváte do uživatelské příručky vašeho nákladního vozidla, uvidíte, že váš vůz má dvě tažné kapacity – jednu pro vlastní hmotnost a jednu pro taženou hmotnost. Také si všimnete, že limit mrtvé hmotnosti je přibližně stejný jako hmotnost vašeho nákladního vozidla, zatímco nosnost taženého vozidla je přibližně třikrát vyšší. Důvodem je, že nosnosti tažené hmotnosti vyžadují speciální závěs, který – uhodli jste – rozděluje hmotnost přívěsu mezi kola přívěsu a kamionu.
Přidaná hmotnost přívěsu vyžaduje, aby motor autokaru pracoval usilovněji, aby produkoval větší točivý moment, než je potřeba, když autokar jede bez zatížení. Pokud je však hmotnost správně rozložena jak v přívěsu, tak v autokaru, bude statické tření pro každou pneumatiku stejné. Takže ať už se po silnici pohybuje kamion o hmotnosti 5 000 liber, nebo ten, který táhne náklad o hmotnosti 10 000 liber, pokud motor dokáže produkovat dostatečný točivý moment k otáčení hnacích kol, aniž by překonal valivé tření na vozovce, všechna ostatní kola budou sledovat.
Další informace o tažení a dalších souvisejících tématech naleznete na další stránce.
DěkujiZvláštní poděkování patří Dr. Williamu Skocpolovi a Craigu Freudenrichovi, Ph.D. za jejich pomoc s tímto článkem!
