Masa, velocidad e inercia

Question

Si 5 onzas de peso es mi motor, y este peso comienza en la parte trasera de un vehículo de cuatro ruedas que viaja por una pendiente ganando velocidad debido a la masa del motor para permitir que su inercia lo lleve a través de una superficie plana; ¿las leyes de la física permitirían que este viaje más rápido una vez en esta superficie plana si el peso se quedara quieto, si el peso fuera expulsado, o si el peso se desplazara hacia el frente?

Intento comprender la física de las fuerzas en juego... Si esta nueva redacción no es aceptable, por favor, hágamelo saber, ya que no estoy tratando de romper las reglas, más bien, estoy tratando de entender estas fuerzas en juego para tratar de diseñar algo. No estoy tratando de hacer trampa, y sin duda puede ofrecer más explicaciones si se solicita y se permite.

Answer 1

Las cosas que aprendí en años de carreras de pinewood derby:

• utilizar el peso máximo
• mantenerlo atrás
• asegúrese de que el coche va recto
• centrarse en la estabilidad

El peso es tu "motor". Como empiezas en una pendiente, la masa en la parte trasera tiene que bajar más que la masa en la parte delantera (¡de verdad!). Puedes pensarlo así: si el peso del coche está distribuido uniformemente entre las ruedas delanteras y traseras, la curvatura de la pista (que da lugar a una fuerza ligeramente fuera de la vertical en el marco de referencia del coche) da lugar a fuerzas equilibradas; pero si tienes el peso en la parte trasera, la curvatura de la pista hará que propulsar el coche. Ese es el mecanismo por el que aprovechas la energía potencial extra.

Una vez que abandonas la sección curva, tienes que rodar recto sin fricción. Ahora hay cuatro fuentes de rozamiento: el "cojinete" de la rueda, el suelo (rozamiento de rodadura), el aire y la cresta entre las ruedas . Si el coche empieza a traquetear de lado a lado, aumentará la fuerza lateral de las ruedas contra la pista guía, y eso te hará perder la carrera.

Así que céntrate en la estabilidad del coche (esto en realidad significa aumentar el momento de inercia sobre el eje vertical, por lo que necesitas un poco de masa en la parte delantera), la mínima fricción entre el interior de la rueda y la guía (las ruedas pueden tener rebabas en el interior) y, por supuesto, asegúrate de que las ruedas están bien lubricadas. En particular, fíjate en el punto donde la cabeza del clavo entra en contacto con la rueda y donde la rueda toca el coche. Esos son los dos puntos donde puede haber un par de torsión inesperadamente alto.

Abandonar el peso no hará nada por ti. La fricción en el eje, y la resistencia del aire, son pequeñas. Es la otra fricción la que te mata. El coche será menos estable (y tendrá menos energía cinética con la que superar la fricción) si dejas el peso.

Answer 2

Descargo de responsabilidad: Esta respuesta la escribí antes de enterarme de que un pinewood derby es para coches de madera en miniatura que corren en una pista. Por lo tanto, sólo una parte de ella se aplicará a un derby de madera de pino.

Según entiendo su situación, bajará por una pendiente y luego pasará a una superficie horizontal. Dices que quieres maximizar el efecto de la aceleración gravitatoria en la pendiente, y luego eliminar el peso en la superficie horizontal para minimizar la fricción. Pero recuerda que el coche tendrá impulso beneficioso a lo largo de la horizontal. Si eliminas peso, reducirás ese impulso, cosa que no quieres hacer.

He aquí otras sugerencias:

Como no hay motor en tu coche, la eficiencia aerodinámica es una parte importante del rendimiento del vehículo. Diseña el coche con una parte trasera cónica para reducir la succión de aire directamente detrás del coche, y una parte delantera cónica para reducir la resistencia al viento.

Una propuesta de rediseño del trineo de Papá Noel en este enlace le dará una idea de las líneas a las que hay que aspirar: http://www.popsci.com/why-santas-sleigh-poorly-designed-aerodynamic-efficiency . Integre las ruedas en la forma aerodinámica del vehículo colocándolas dentro de los huecos de los guardabarros diseñados adecuadamente.

Haz que tus ruedas sean lo más ligeras posible para reducir la inercia rotacional. Se necesita más energía para hacer girar el peso fijado a las ruedas que para propulsar el peso fijado al cuerpo del vehículo. El centro de la rueda se desplaza a la misma velocidad que el vehículo, pero la parte superior de la rueda se desplaza más rápido que el vehículo, por lo que se necesita más energía para mover la rueda una determinada distancia horizontal que para mover el cuerpo del vehículo esa misma distancia.

En momento de inercia del peso en la llanta de la rueda es mayor que el momento de inercia del peso en el centro de la rueda. Por lo tanto, intente aligerar la rueda hacia la llanta. Puede hacerlo estrechando el disco de la rueda hacia la llanta. Una ventaja añadida es un menor contacto con la cresta central de la pista. Pero la superficie interior debe estar mecanizada con precisión para que entre en contacto con el borde de la cresta de manera uniforme y continua para evitar el temblor que absorbe la energía.

Cuanto mayor sea la rueda, menor será la fricción de rodadura sobre la superficie de la carretera. Pero una rueda más grande significa más peso en rotación. Además, una rueda más grande presenta más superficie de contacto con el reborde central de la vía. (Aplicable a los derbis de cajas de jabón: Dirigir una rueda grande puede absorber más energía cinética del vehículo que dirigir una rueda pequeña. Tal vez quieras hacer las ruedas traseras más grandes y las delanteras más pequeñas).

La única fuerza motriz que tiene es la aceleración gravitatoria. Facilita al máximo que la gravedad arrastre tu vehículo por la pendiente, y no hagas nada que perjudique el impulso del vehículo al rodar sobre la horizontal.