Come può un camion da 5.000 libbre trainare 10.000 libbre?

Aspetta, non sfida la fisica? No. Tim McCaig / iStockPhoto

Hai mai visto con stupore un camioncino trainare un enorme carico di mattoni? Se hai pensato: "Wow, questo sfida le leggi della fisica!" sbaglieresti.

Che tu ci creda o no, le leggi della fisica (o più specificamente, le leggi del movimento) consentono effettivamente a un camion da 5.000 libbre (2.268 chilogrammi) di trainare un carico di 10.000 libbre (4.536 kg). Fa parte dell'interazione tra l'energia esercitata dal motore del camion e le forze di gravità. Tuttavia, questa non è un'impresa da poco; se ricordi la terza legge del moto di Newton, sai che dal momento in cui il tuo camion inizia a muoversi, ci sono forze che gli si oppongono ad ogni passo del percorso.

Se comprendi la fisica della guida, comprendi la fisica del traino. In realtà c'è un modo abbastanza semplice per guardare il processo.

Ci sono tre stati in cui il tuo camion può entrare quando si tratta di guida e traino: riposo, accelerazione e velocità costante. Quando la trasmissione del tuo camion è in posizione di parcheggio e il tuo camion è fermo, è considerato fermo. La spinta gravitazionale verso il basso verso il centro della terra e la spinta verso l'alto dalla terra (chiamata forza normale) opporsi l'uno all'altro per mantenere fermo il camion. Il tuo camion rimarrà fermo - dopo tutto, un oggetto a riposo tende a rimanere a riposo.

Ma tu non vuoi riposare, vuoi rimorchiare. Ciò significa che devi superare questa tendenza per riposarti forza applicata. Fortunatamente per te, il tuo camion ha un motore in grado di produrre energia, che funge da forza applicata necessaria per farti muovere. Mentre le forze opposte normali e gravitazionali rimangono ancora, per accelerare dovrai affrontare le forze di attrito. Piuttosto che su e giù, queste forze esistono parallelamente al suolo e spingono nella direzione opposta a quella in cui vuoi muoverti. Non puoi prendere una pausa dal punto di vista fisico, vero?

Con noi finora? Buona. Continua a leggere per saperne di più sulla fisica del traino.

Prendilo, ragazzi. Qui è dove viene prodotta la coppia. Hill Street Studios / Getty Images

Ci sono due tipi di forze di attrito che agiscono contro di te mentre guidi il tuo camion. Frizione statica è l'attrito che i tuoi pneumatici incontreranno prima di raggiungere il soglia di movimento. Una volta che le tue ruote iniziano a muoversi, la soglia del movimento è stata superata e i tuoi pneumatici devono ora fare i conti attrito cinetico -- o nel caso di una ruota, attrito volvente. Per accelerare, l'attrito statico deve essere superato attraverso la forza applicata, ma questo non è il caso dell'attrito volvente. L'obiettivo è invece quello di accelerare fino a quando la forza applicata è uguale alla quantità di attrito di rotolamento applicato ai pneumatici. Una volta che la quantità di forza applicata corrisponde alla quantità di attrito volvente, hai raggiunto il punto di velocità costante. Potresti conoscerla come velocità di crociera, quel punto in cui non stai accelerando o rallentando, ma solo viaggiando felicemente.

Tutti questi discorsi sulla fisica non sarebbero molto importanti se non fosse per il modo in cui la tua auto usa la forza applicata dal motore per spingere il tuo camion lungo la strada. Lo fa producendo coppia, che è l'energia che fa ruotare una ruota sul proprio asse. La forza applicata creata dal tuo motore viene distribuita alle ruote del tuo camion attraverso la trasmissione, che fa girare l'albero motore e distribuisce la coppia alle ruote.

La coppia è diversa dall'energia necessaria per spostare qualcosa lungo un piano orizzontale. Pensa in questo modo: diciamo che hai un quarto in piedi sul bordo che intendi rotolare lungo il corridoio. Puoi spingere sul bordo con il dito con un movimento dall'alto verso il basso per farlo muovere in avanti o un movimento dal basso verso l'alto per farlo rotolare all'indietro. Hai appena applicato la coppia. Ora prova a spostare il quarto in avanti senza farlo rotolare. Non funziona molto bene, vero? Il quarto scivola semplicemente sulla superficie, il che rende difficile il controllo, non un modo molto efficiente di muoversi. Questa è la sfida che si presenta al tuo camion ogni volta che guidi: andare avanti senza sbandare.

Sembra abbastanza semplice; si preme il pedale dell'acceleratore e il motore distribuisce la coppia all'albero motore che fa girare l'asse e, a sua volta, le ruote. Ma se il motore produce troppa coppia, i tuoi pneumatici supereranno l'attrito di rotolamento che incontrano dalla strada e slitteranno inutilmente (e forse pericolosamente). Quello che vuoi è che il tuo pneumatico non lasci mai la strada.

Sembra un po 'strano, ma quando il tuo camion procede correttamente, il fondo del pneumatico, letteralmente dove la gomma incontra la strada, rimane fermo. Ciò che costituisce il fondo degli pneumatici cambia poiché tutti i punti sul battistrada hanno l'opportunità di fungere da fondo del pneumatico mentre completa una rotazione completa. Così come la posizione del fondo del pneumatico rispetto alla strada. Ma, per quanto riguarda la gravità e la forza normale, il fondo del pneumatico è fermo poiché non lascia mai la strada.

Quindi cosa diavolo ha a che fare tutto questo con il traino? In abbondanza. Vedrai cosa intendiamo nella pagina successiva.

Finché il peso è equamente distribuito, questo camion dovrebbe essere in grado di trainare più del doppio del proprio peso. Alexander Hafemann / iStockPhoto

-Tutto ciò che hai appena imparato su come la fisica mantiene il tuo camion in movimento senza intoppi può essere estrapolato al traino.

Se si dispone della trazione integrale, tutti e quattro i pneumatici sono collegati agli alberi di trasmissione e ricevono quindi la coppia per spostarli. Se hai solo la ruota posteriore o la trazione anteriore, non temere: la coppia distribuita alle ruote motrici farà muovere anche le ruote che si trovano lungo la corsa. Poiché sono collegate al tuo camion, queste ruote si muoveranno quando le ruote motrici iniziano a muoversi. Il peso dovrebbe essere distribuito uniformemente sul camion, il che significa che ogni ruota, collegata o meno a un albero di trasmissione, deve affrontare una sfida uguale.

Poiché i tuoi pneumatici sono dove la gomma incontra la strada, o più il punto in cui la forza di gravità che preme verso il basso sul tuo camion incontra la normale forza che spinge verso l'alto contro di esso, è qui che il peso viene distribuito. Se il peso è distribuito in modo uniforme, anche la forza normale che incontra viene distribuita in modo uniforme, poiché la forza normale è proporzionale alla massa del camion. Ciò significa che la forza normale che ogni pneumatico incontra è circa un quarto della massa del tuo camion. Questa distribuzione equa della forza porta a una quantità uguale di forza statica e quindi cinetica che ogni pneumatico incontra quando si sposta dalla sua posizione di riposo all'accelerazione e infine alla velocità costante. Quindi la coppia sufficiente per muovere una ruota le muoverà tutte. Se il peso del tuo camion non è equamente distribuito, i pneumatici che supportano meno peso slitteranno o slitteranno poiché la coppia che ricevono supera piuttosto che eguagliare l'attrito di rotolamento che incontra dalla strada.

Questo è vero sia per i quattro pneumatici del camion che per altri due o quattro pneumatici che aggiungerai quando trainerai un rimorchio. Questo perché, per quanto riguarda le leggi della fisica, quando il tuo rimorchio è collegato al tuo camion è considerato una singola unità. La massa del camion e quella del rimorchio condividono una massa combinata. Ciò significa che la distribuzione del peso rimane importante. Se è distribuito correttamente, i pneumatici, che siano quattro, sei, otto o 50, affronteranno tutti la stessa quantità di attrito quando superano la soglia e accelerano.

Quindi come può un camion da 5.000 libbre trainare un carico di 10.000 libbre? La risposta breve è che non può, a meno che non abbia il giusto tipo di intoppo. Se consulti il ​​manuale del proprietario del tuo camion, vedrai che il tuo camion ha due capacità di traino: una per il peso morto e una per il peso rimorchiato. Noterai anche che il limite di peso morto è circa lo stesso peso del tuo camion, mentre la capacità di carico rimorchiata è circa tre volte superiore. Il motivo è che le portate trainate richiedono un attacco speciale che, come avete indovinato, distribuisce il peso del rimorchio tra le ruote del rimorchio e del camion.

-Il peso aggiunto del rimorchio richiede che il motore del veicolo pullman lavori di più per produrre più coppia di quanto richiesto quando l'autobus viaggia senza ostacoli. Ma se il peso è distribuito correttamente sia all'interno del rimorchio che del pullman, l'attrito statico per ogni pneumatico sarà uguale. Quindi, che si tratti di un camion del peso di 5.000 libbre che si muove lungo la strada, o di uno che rimorchia un carico di 10.000 libbre, fintanto che il motore può produrre una coppia sufficiente per far ruotare le ruote motrici senza superare l'attrito di rotolamento sulla strada, tutte le altre ruote lo faranno Seguire.

Per ulteriori informazioni sul traino e altri argomenti correlati, visitare la pagina successiva.

Grazie

Un ringraziamento speciale al Dr. William Skocpol e Craig Freudenrich, Ph.D. per il loro aiuto con questo articolo!

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Altri ottimi link

• Suggerimenti e terminologia per il traino di sicurezza
• Fisica dell'Università di Boston
• Definizioni e valori nominali del peso di traino

fonti

• Skocpol, William, PhD. Professore di Fisica, Boston University. Corrispondenza personale. 31 ottobre 2008.
• Townsend, Ben. "Attrito statico e cinetico". Università dell'Alaska, Fairbanks. Autunno 2002. http://ffden-2.phys.uaf.edu/211_fall2002.web.dir/Ben_Townsend/StaticandKineticFriction.htm