La fuerza necesaria para conducir el coche

Question

Por lo que sé de la Mecánica Newtoniana, si un objeto se mueve a una velocidad constante, la fuerza neta que actúa sobre el objeto es igual a cero. Si no hay fricción, entonces la fuerza aplicada necesaria para mantener una velocidad constante es igual a la magnitud de la fuerza de fricción, independientemente del valor real de la velocidad.

Ahora supongamos un coche que está conduciendo en una carretera a una velocidad constante de 10 km/h, y la fuerza de fricción que actúa sobre el coche tiene una magnitud de 4.000 N. La fuerza aplicada [de los motores de] que se requiere para mantener la velocidad también es, por tanto, de 4.000 N[como la fuerza neta es igual a cero]. Si el coche se mueve en la misma carretera a una velocidad constante de 100 km/h, de nuevo, iba a requerir la misma cantidad de fuerza aplicada a partir de los motores para mantener la velocidad sin aceleración: 4,000 N, como este "cancela" la fuerza de fricción, y, por la Segunda Ley de Newton, la velocidad no cambia.

Si se mueve a dos diferentes velocidades constantes–10 km/h y 100 km/h en la superficie de la misma requiere la misma constante de la fuerza aplicada generados a partir de los motores, entonces ¿por qué se mueve a 100 km/h consumir más gasolina?

Answer 1

En un perfecto vacío, en un sin fricción de la carretera, usted podría simplemente apague el motor y el coche se mantenga en movimiento, nunca desaceleración. Sin embargo, en el mundo real, hay varios efectos que ejercen una fuerza en un coche en movimiento, que se ralentice, tales como:

• rodante de arrastre entre los neumáticos y la superficie de la carretera,
• líquido de arrastre del aire que el coche se mueve a través de, y
• varias de las pérdidas de fricción entre las partes móviles en el coche en sí, la cual, a menos que compensada por la potencia del motor, la causa de las ruedas al frenar y ejerce un par de torsión en la capa de balasto de ralentizar el coche.

Para mantener un coche se mueve a una velocidad constante, el motor necesita para ejercer la fuerza suficiente para el equilibrio de todas las fuerzas.

La cosa importante a tener en cuenta es que, a altas velocidades, la fuerza principal de ralentizar el coche es en realidad el líquido de arrastre, que crece más o menos en proporción al cuadrado de la velocidad. Por lo tanto, el doble de la velocidad, el motor necesita para ejercer cuatro veces más fuerza. (Al menos, que aproximadamente tiene en condiciones normales de las velocidades de autopista. Las cosas se ponen aún más interesantes cuando se acerque a la velocidad del sonido y la onda de arrastre comienza a jugar un papel.)

Debido a esto, minimizando el coeficiente de arrastre / resistencia es una característica fundamental de la alta velocidad en el diseño de automóviles, y es por eso que esencialmente todos los autos modernos (pero sobre todo de alta velocidad modelos) característica de racionalización de las formas diseñadas para minimizar la resistencia aerodinámica.

También, como Sachin Shekhar notas en su respuesta, el balanceo de arrastre para ruedas neumáticas, también es un poco dependientes de la velocidad, principalmente porque las ruedas son flexibles, y por lo tanto se deforman, mientras gira, la pérdida de energía en forma de calor. Estas pérdidas también aumentan con la velocidad, lo que significa que, incluso en el vacío, manteniendo una velocidad mayor, todavía necesita más potencia. En principio, se podría minimizar estas pérdidas, haciendo que las ruedas y la superficie de la carretera como duro e inflexible como sea posible — es decir, haciendo a la vez de acero, como se hace para que los trenes, que también minimizar la resistencia aerodinámica por su larga y estrecha de forma. Esa es una razón por la que los trenes pueden circular a una considerablemente mayor que las velocidades sería práctico para un coche de mantener.

(Por supuesto, para reducir el arrastre más aún, podría poner alas en el coche y tener que volar por encima de la carretera, eliminando rodante de arrastre completo y la reducción de líquido de arrastre significativamente debido a la menor presión de aire en la parte superior de la atmósfera. O, mejor aún, ir incluso más arriba , donde el aire es más delgado.)

Answer 2

Estás equivocado en suponiendo que la fricción constante. La Fricción de rodadura aumenta al aumentar la velocidad del coche (Ver las fórmulas en la parte inferior).

También, la resistencia aerodinámica aumenta con el cuadrado de la velocidad (Ver la fórmula en la parte inferior).

Así, a mayor velocidad, el coche que necesita el motor para contrarrestar la mayor fricción de rodadura y el arrastre de aire para mantener esa velocidad.

Mientras que la razón anterior es suficiente, debo añadir esto: A mayor velocidad que el vehículo necesita hacer más trabajo por unidad de tiempo. A 10 km/h, si los neumáticos están en x RPM, los neumáticos necesitan giran en, digamos, 10x RPM para mantener los 100Km/h. Así, los motores están haciendo 10x más trabajo por unidad de tiempo a 100 km/h.

Pero, la fricción de rodadura y el arrastre de aire (la mayoría de las fuerzas dominantes entre todas las resistencias aquí) están en el corazón del problema. En el vacío y sin fricción medio ambiente, por ejemplo, puede DESACTIVAR el motor de 10 veces de RPM y se quedaría a 10x).

He aquí la fórmula de la Fricción de Rodadura..

$$F_r = c_r N$$

Donde $c_r$ está rodando coeficiente de fricción (adimensional) y $N$ es la Normal a la Fuerza aplicada por la carretera, que es igual al peso del coche.

Ahora, los Rolling Coeficiente de Fricción aumenta con la velocidad del coche que resulta en el aumento de la Fricción de Rodadura.

Por ejemplo, los coeficientes de fricción de rodadura para neumáticos en carreteras secas puede ser calculado con

$$c_r = 0.005 + \frac {1}{p} (0.01 + 0.0095(\frac{v}{100})^2)$$

donde $p$ es la presión de los neumáticos y $v$ es la velocidad

He aquí la fórmula de Automóviles de la Aerodinámica..

$$F_a = A/2 × c_d × D × v^2$$

donde $A$ es el área frontal del coche, $c_d$ es el coeficiente de arrastre, $D$ es la densidad del aire, $v$ es la velocidad.

Nota: el Peso del coche se va hacia abajo cuando la gasolina se quema lo que contribuye a la disminución de la fricción de rodadura y la inercia (la Ciencia de los Cohetes), pero las fuerzas de la resistencia ganar por cantidad muy grande.

Answer 3

Han ignorado el coche de la fricción con el aire! Si suponemos que el coche como un cuerpo aerodinámico (el aire fluye sobre la superficie del auto sin problemas y no por separado), a continuación, la fricción del aire en el coche es proporcional al cuadrado de la velocidad del coche.

Answer 4

Tienes razón

Por la Segunda ley de Newton

$$\ F = m (v-u)/t$$

Una vez que hayas alcanzado la velocidad de $$\ 100 m/s $$ sólo tienes Que dar la fuerza para contrarrestar la fricción. Pero para llegar a esta velocidad requiere más fuerza y por lo tanto más energía.

Podemos concluir que la equitación en la misma carretera a una velocidad constante de cualquier magnitud, que no requieren más energía.

Deja que la fuerza aplicada se $F$ y la fuerza de fricción ser $f$ el resto de la fuerza se $N$

$$\ N = F- f$$

el resto de la fuerza debe ser $0$ de la velocidad del vehículo no aumenta más da $F=f$, lo que confirma que la fuerza debe ser igual a la fuerza de fricción para mantener una velocidad constante.

No requiere gasolina sólo para alcanzar esta velocidad. Después de alcanzar esta velocidad, la cantidad de gasolina que se utiliza tanto por los coches es la misma.

Agregando lo que @wgrenard dice, Usted no perderá su gasolina para viajar distancias idénticas. Pero el caso es ideal, no hay resistencia del aire, los vehículos deben haber alcanzado la constante de velocidad.