ВНИМАНИЕ! Если Вам ПО ТЕЛЕФОНУ предложили перевести деньги на КИВИ-КОШЕЛЁК, то это означает, что к нашим номерам подключились мошенники!!! Будьте внимательны!

Физика и автомобиль


Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Старо-Сандовская основная общеобразовательная школа

Физика в конструкции  автомобилей.

Актуальность темы проекта.

В современном мире автомобиль имеет огромное значение. Это уже действительно не роскошь, а средство передвижения. Кроме того, он служит и для перевозки грузов, и для занятий автоспортом, является прекрасным транспортом для путешествий; управление автомобилем в некотором плане снимает стресс, а скорость даёт ощущение свободы. Ежегодно мировой автопарк обновляется, ведущие концерны - автопроизводители предлагают десятки новых моделей, поражающих воображение дизайнерскими и конструкционными находками. Итак, автомобиль-это комфорт, красота, сила, скорость, мощный двигатель, и…престиж в обществе.

Я родился в городе, с детства видел множество различных моделей автотранспорта, мой отец - автолюбитель. Всё это способствовало развитию моего познавательного интереса к технике. Когда учитель физики предложил мне заняться разработкой творческого проекта, то я долго не колебался при выборе темы: конечно же физика в конструкции автомобиля! Мне показалась данная тема актуальной, потому что у меня есть познавательный интерес к истории автомобилестроения, внутреннему устройству автомобиля, а также стремление понять, насколько востребованы в технике теоретические знания, преподаваемые нам в школе. Я всего лишь учащийся 8кл общеобразовательной школы, а не инженер - конструктор, но выбрав такую тему проекта, надеялся получить немало новой информации. Возможно, моя будущая профессия будет связана с наукой и техникой, и работа над данным проектом дала мне возможность получить немало новой информации, которая позволяет стать более образованным человеком. А когда однажды я стану владельцем автомобиля, полученные знания поспособствуют, чтоб я стал умелым водителем и механиком.

Возможно, моя исследовательская работа не имеет такого уж большого научного или практического  значения, однако она может способствовать развитию интереса школьников к физике и технике, если, конечно, в будущем, учитель сочтёт полезным использование материалов моего проекта в образовательном процессе. Кроме того, для меня это первый опыт работы над проектом, и мне было интересно проверить себя, на что я способен, как у меня получится?

Новизна работы состоит в том, что в ней школьником /а, отнюдь, не инженером/ предпринята попытка взглянуть на автомобиль не как на транспортное средство, а именно с научно-технической точки зрения. 

Объект исследования - современный автомобиль.

Предмет исследования - конструкция автомобиля как техническое воплощение физических явлений.

Цели проекта:

-узнать, что такое автомобиль, совершив экскурс в историю его создания;

-предположить, как, возможно, будут выглядеть автомобили в обозримом будущем;

-и, наконец, самое главное: выяснить, как в конструкции автомобиля использованы физические явления и законы

Гипотеза: я предположил, что в конструкции автомобиля нашли широкое применение физические явления и законы. Так ли это? Постарался разобраться.

Краткая историческая справка по теме проекта:

Кто и когда создал автомобиль?

В 1768 году француз Кюньо, собственно,это ещё был не вполне автомобиль, да и слова  такого не существовало, так…самодвижущаяся «тележка»на паровом двигателе, т.к. даже идеи двигателя внутреннего сгорания тогда ещё и близко не было

В 1885г немецкий инженер Карл Бенц создал первый автомобиль, оснащённый бензиновым ДВС, изобретённым соотечественником Бенца инженером Николасом фон Отто

В конструкции современных автомобилей используются максимально лёгкие,но в то же время прочные/а в двигателе-жаропрочные сплавы/,а ещё различные виды пластика, керамика…В отделке салона присутствуют кожа, ткани, иногда даже древесина!

 

Общее устройство
современного автомобиля
/представлено в виде схемы расположения основных узлов ,систем и механизмов/:

Как может измениться автомобиль в будущем?/Слайд 11/

-может, станет возможным и ездить по дороге и летать в небесах… /Слайд 12/

-или плавать под водой, /Слайд 13/

-а может  российский автомобиль вернётся
к «классическому» дизайну, кто знает?! /Слайд 14/

Конструкционные связи устройства автомобиля с физическими явлениями и законами.

Далее, серьёзно подумав, как же  конструктивные особенности автомобиля связаны с физикой, начал более глубокое исследование по данным направлениям. Ввиду того, что связь с физикой можно проследить буквально в каждой системе автомобиля, в каждом конструкторском и дизайнерском решении, рассмотреть абсолютно всё мне было невозможно, поэтому некоторые моменты как то физические процессы в работе ДВС, особенности в конструкции карбюраторного, инжекторного и дизельного ДВС, а также внешние аэродинамические особенности я не исследовал.

Я выбрал такие направления изучения связи физики с конструкцией автомобиля.

  • Силы, действующие на движущийся автомобиль.
  • Инерция. Масса – мера инертности.
  • Вращение твёрдого тела.
  • Центр тяжести.
  • Термодинамика.

Силы, действующие на движущийся автомобиль.

Никакая электроника не в состоянии изменить законы физики, она помогает лишь до   определенных пределов.

Необходимо знать основы физики движения. Они помогают лучше понять процесс вождения и причины возникновения аварийных ситуаций при управлении автомобилем.

Выезжая на дорогу, совсем не надо быть ученым-физиком, но разбираться в основах вождения и аэродинамики должен каждый человек, решивший сесть за руль автомобиля.

Всем нам хорошо известна карусель, где сиденья подвешены на цепях. При вращении эти сиденья стремятся уйти на своей гибкой подвеске по направлению от центра вращения, образуя угол вплоть до девяноста градусов по отношению к вертикали. Заставляет их это делать центробежная сила. Точно так же и на автомобиль, движущийся по окружности, воздействует центробежная сила, стремящаяся вытолкнуть его наружу поворота. При этом следует учитывать, что центробежная сила тем больше, чем больше масса машины и ее скорость. Но здесь есть одно “но”. Увеличивая скорость движения по окружности или в повороте в два раза, вы увеличиваете центробежную силу в четыре раза. Это надо знать и снижать скорость, входя в поворот.

Если силовое замыкание между колесами машины и дорогой недостаточно, то автомобиль как раз благодаря воздействию на него центробежной силы в повороте может уйти в занос (неуправляемое скольжение передних или задних колес в зависимости от привода автомобиля — переднего или заднего). Чревато заносом в повороте и резкое, неграмотное управление тормозными механизмами, газом и рулем. Это надо учитывать перед вхождением в поворот и ни в коем случае не тормозить резко на дуге, не прибавлять резко газ и не уменьшать по возможности радиус поворота. Все это может делать, да и то с оговорками, только специально подготовленный водитель, прошедший курс экстремального вождения и знающий правила прохождения поворотов в управляемом заносе, или автогонщик, но ни в коем случае не новичок за рулем. Поэтому в каждой поездке водитель просто обязан “прочитывать” дорогу, то есть учитывать силовое замыкание (сухо, снег, лед, вода и так далее) и грамотно выбирать скорость в поворотах или при перестроениях.

Силовое замыкание.

Под силовым замыканием между автомобилем и дорогой понимается трение сцепления между рабочей поверхностью шины и поверхностью дорожного полотна. Чем оно больше, тем лучше для безопасного управления автомобилем. Зависит оно от силы, с которой колесо прижимается к дорожному полотну, и шероховатости (или скользкости) самого дорожного полотна, определяющих коэффициент трения.

 

Инерция. Инерция автомобиля вокруг вертикальной оси.

Инерция-явление сохранения скорости тела при отсутствии действия на него со стороны других тел.

Момент инерции тела – это мера инертности этого тела во вращательном движении, по аналогии с массой в поступательном движении. Момент инерции является очень важной массовой характеристикой автомобиля, поэтому его определяют ещё на этапе компоновки, назначая габариты, положение и массы узлов и агрегатов.

 Помните второй закон Ньютона? Ускорение= Сила/Масса. Поэтому для достижения большего ускорения можно либо увеличивать силу, либо снижать массу. Вот и во вращательном движении также: Угловое ускорение=Момент сил/Момент инерции.

Что же такое момент инерции автомобиля вокруг вертикальной оси, проходящей через центр масс? Если мысленно разбить автомобиль на элементарные массы, то сумма произведений этих элементарных масс на квадрат расстояния от них до вертикальной оси и даст нам момент инерции относительно этой оси. 

Представьте себе автомобиль, которому надо войти в вираж. Для этого водителю необходимо совершить поворот автомобиля относительно центра поворота, находящегося обычно приблизительно на продолжении задней оси.

Чем большей линейной скорости прохождения виража хочет добиться водитель, тем быстрее ему нужно направлять автомобиль в поворот, т.е. увеличивать угловое ускорение автомобиля.

Вращательным движением называют такое движение, при котором все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной прямой - оси вращения.

Вращательное движение в автомобиле:

-Колеса автомобиля, кроме того, что они вместе со всем автомобилем движутся, вращаются вокруг одной оси;

-Коленвал;

-Руль. 

Центр тяжести.

Для расчета весовых характеристик автомобиля в расчет обычно принимается масса взрослого человека (около 70кг), а для детей 35 кг. Центр массы взрослого человека принимается на обоснованном расстоянии от нижней крайней точки спинки сиденья и составляет 200 мм.

Проектирование автомобиля осуществляется с использованием следующих параметров: масса отдельных частей автомобиля, сухая масса автомобиля, реальные массы агрегатов. Сила тяжести определяется в Ньютонах. Для этого необходимо получить произведение массы автомобиля, умноженной на ускорение свободного падения 9,8м/с2.

Термодинамика.

Термодинамика – наука об основных способах преобразования внутренней энергии в механическую работу.

Справедлив постулат Клаузиуса и для автомобиля: «процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, то есть теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в системе».

Постулат Клаузиуса: «процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, то есть теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в системе».

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) переводят химическую энергию топлива в тепловую энергию, а затем с помощью кривошипно-шатунного механизма в механическую работу. При этом 1 литр бензина при сгорании выделяет около 9,5 кВт*ч тепловой энергии.

У современного ДВС К.П.Д достаточно низкий – до 30%, поэтому основная (70%) часть тепловой энергии, которая не была преобразована в механическую, должна быть отведена от ДВС. Если лишнюю энергию не отводить от двигателя, то он перегреется, что чревато выходом его из строя; прежде всего, заклиниванием поршней в цилиндрах.

Для регулирования скорости отвода «лишней» тепловой энергии нужен элемент системы охлаждения прибор термостат. Но при этом необходимо помнить, что это не единственный способ отвода избытка тепловой энергии.Он происходит тремя путями: 1) через конвекцию и тепловое излучение, 2) через систему выпуска выхлопных газов и 3) через систему охлаждения двигателя, где как раз и нужен термостат для регулирования объема охлаждающей жидкости. 

Итак, я узнал, кто создатель первого авто-, как в общих чертах устроен современный автомобиль, предположил возможное совершенствование дизайна автомобиля в будущем, и, самое главное, изучил на доступном уровне физические принципы, заложенные в конструкцию любого автомобиля.

Источники информации:

-сайты сети интернет;
-собственные знания и размышления;
-энциклопедический словарь юного техника.


 

 


 

ВЫСТУПЛЕНИЕ НА ЗАЩИТЕ ПРОЕКТА.

1. Приступая к работе над проектом, я ставил перед собой следующие цели:

-узнать, что такое автомобиль, совершив экскурс в историю его создания;

-предположить, как, возможно, будут выглядеть автомобили в обозримом будущем;

-и, наконец, самое главное: выяснить, как в конструкции автомобиля использованы физические явления и законы

2. Актуальность темы проекта состоит в следующем:
В современном мире автомобиль имеет огромное значение. Это уже действительно не роскошь, а средство передвижения. Кроме того, он служит и для перевозки грузов, и для занятий автоспортом, является прекрасным транспортом для путешествий; управление автомобилем в некотором плане снимает стресс, а скорость даёт ощущение свободы. Ежегодно мировой автопарк обновляется, ведущие концерны - автопроизводители предлагают десятки новых моделей, поражающих воображение дизайнерскими и конструкционными находками. Итак, автомобиль-это комфорт, красота, сила, скорость, мощный двигатель, и…престиж в обществе.
Я родился в городе, с детства видел множество различных моделей автотранспорта, мой отец - автолюбитель. Всё это способствовало развитию моего познавательного интереса к технике. Когда учитель физики предложил мне заняться разработкой творческого проекта, то я долго не колебался при выборе темы: конечно же физика в конструкции автомобиля! Мне показалась данная тема актуальной, потому что у меня есть познавательный интерес к истории автомобилестроения, внутреннему устройству автомобиля, а также стремление понять, насколько востребованы в технике теоретические знания, преподаваемые нам в школе. Я всего лишь учащийся 8кл общеобразовательной школы, а не инженер - конструктор, но выбрав такую тему проекта, надеялся получить немало новой информации. Возможно, моя будущая профессия будет связана с наукой и техникой, и работа над данным проектом дала мне возможность получить немало новой информации, которая позволяет стать более образованным человеком. А когда однажды я стану владельцем автомобиля, полученные знания поспособствуют, чтоб я стал умелым водителем и механиком.
Возможно, моя исследовательская работа не имеет такого уж большого научного или практического значения, однако она может способствовать развитию интереса школьников к физике и технике, если, конечно, в будущем, учитель сочтёт полезным использование материалов моего проекта в образовательном процессе. Кроме того, для меня это первый опыт работы над проектом, и мне было интересно проверить себя, на что я способен, как у меня получится?
Новизна работы состоит в том, что в ней школьником
/а,отнюдь, не инженером/ предпринята попытка взглянуть на автомобиль не как на транспортное средство,а именно с научно-технической точки зрения.

2. Краткая историческая справка по теме проекта:
Кто же и когда создал автомобиль? В 1768 году француз Кюньо, собственно,это ещё был не вполне автомобиль, да и слова такого не существовало, так…самодвижущаяся «тележка»на паровом двигателе, т.к. даже идеи двигателя внутреннего сгорания тогда ещё и близко не было
В 1885г немецкий инженер Карл Бенц создал первый автомобиль, оснащённый бензиновым ДВС, изобретённым соотечественником Бенца инженером Николасом фон Отто
В конструкции современных автомобилей используются максимально лёгкие,но в то же время прочные/а в двигателе-жаропрочные сплавы/,а ещё различные виды пластика, керамика…В отделке салона присутствуют кожа, ткани, иногда даже древесина!

3. Ход выполнения проекта:
Гипотеза: я предположил, что в конструкции автомобиля нашли широкое применение физические явления и законы. Так ли это? Постарался разобраться.
Сначала я решил выяснить для себя, что же такое автомобиль с научно-технической точки зрения.
Затем узнал кем и когда был создан первый автомобиль вообще и первый автомобиль с бензиновым двигателем.
Уяснил для себя общее устройство автомобиля, представив его в виде схемы.
Немного пофантазировал, представив как могут выглядеть автомобили будущего.
Далее, серьёзно подумав, как же конструктивные особенности автомобиля связаны с физикой, начал более глубокое исследование по данным направлениям. Ввиду того, что связь с физикой можно проследить буквально в каждой системе автомобиля, в каждом конструкторском и дизайнерском решении, рассмотреть абсолютно всё мне было невозможно, поэтому некоторые моменты как то физические процессы в работе ДВС, особенности в конструкции карбюраторного, инжекторного и дизельного ДВС, а также внешние аэродинамические особенности я не исследовал.
Я выбрал такие направления изучения связи физики с конструкцией автомобиля.
• Силы, действующие на движущийся автомобиль.
• Инерция. Масса – мера инертности.
• Вращение твёрдого тела.
• Центр тяжести.
• Термодинамика.
Рассказ сопровождается показом слайдов презентации. Кто это будет делать!?В.И.?

4. Выводы по теме проекта и собственная оценка работы над проектом.
Итак, я выяснил, кто создатель первого автомобиля, как в общих чертах устроен современный автомобиль, предположил возможное совершенствование дизайна автомобиля в будущем, и, самое главное, исследовал на доступном учащемуся уровне /то есть, к сожалению, лишь теоретически/ физические принципы, заложенные в конструкцию любого автомобиля. Надеюсь, в будущем эти знания помогут стать мне умелым и аккуратным на дороге водителем, а также механиком своему автомобилю, который когда-нибудь у меня, надеюсь, будет.
Уважаемые слушатели, на этом у меня всё. Спасибо за внимание!

Физика автомобилей: от Physclips

Автомобили дают примеры для нескольких областей физики. Эта страница использует автомобиль, изображенный на нескольких простых примерах, чтобы проиллюстрировать главы Постоянное ускорение, Вес и силы контакта, Энергия и мощность. У него также есть примеры проблем, связанных с автомобилями. Мы добавим больше позже.

Солнечный гонщик UNSW unsw ift IV на пути к победе в кремниевом дивизионе трансконтинентального World Solar Challenge.

Ускорение, скорость, время, расстояние

    Во-первых, предупреждение . Первые два примера ниже предполагают постоянное ускорение - что обычно является главой во вводных книгах по физике. Во-первых, ускорение вперед автомобиля редко бывает постоянным. Моторы редко создают силу или крутящий момент, которые не зависят от скорости, а сопротивление является сильной функцией скорости - турбулентное сопротивление приблизительно пропорционально v 2 . Замедление часто может быть ближе к постоянному, особенно при резком торможении и на достаточно низких скоростях, чтобы можно было пренебречь сопротивлением по сравнению с силой торможения (строго говоря, горизонтальной силой, действующей на шины на дороге) или сопротивлением качению (которое не сильно зависит от скорости).Однако, часто грубая оценка является достаточным ответом, и это то, что дают первые примеры ниже. Однако для точных ответов, как мы указали, требуется еще больше деталей.

    Во-вторых, записка о единицах . Обсуждая автомобили, скорости обычно даются в километрах в час, для очевидного удобства в повседневной жизни. Однако ускорения обычно указываются в мс -2 , и в любом случае ученые и инженеры обычно работают в единицах СИ. Километр 1000 м, а час 3600 с, так что один к.P.H. составляет 1000 м / 3600 с, что составляет (1 / 3,6) м.с -1 . Итак, чтобы конвертировать к.п.ч. до -1 , делим на 3,6. Чтобы перевести км в час в (наземные) мили в час, разделите на 1,61.

Пример приблизительного сопротивления (с использованием приближения постоянного ускорения)

    В тренировочный день с незначительным ветром и ив IV вышли на ровную прямую трассы с 70 к.п.час Затем водитель выключил двигатель и остановился без тормозов. Проехав отмеченный километр, она ехала со скоростью 50 к.ч. Какое у нее ускорение? (Для этой приблизительной оценки ускорение рассматривается как постоянное, но мы обсудим это позже.)

    В главе Постоянное ускорение мы рассмотрели движение по прямой и вывели уравнение, связывающее ускорение a с (конечной) скоростью v, начальной скоростью v 0 и пройденным расстоянием Δx:

    v 2 - v 0 2 = 2aΔx, которые мы переставляем для получения

    a = (v 2 - v 0 2 ) / 2Δx.

    Подставляя

    , получим а = - 0,093 мс -2 . Знак минус говорит нам, что это замедление: она замедляется. Чтобы сопоставить это с контекстом, сравните его с гравитационным ускорением: а составляет около 1% от g. (Солнечная машина имеет ограниченную мощность - около одного киловатта. Поэтому сопротивление очень важно, и именно поэтому и IFT IV имеют эту форму.)

Сила и мощь

    Force. Из второго закона Ньютона мы пишем F = m a . С учетом водителя (и балласта, чтобы сделать эффективную массу водителя 80 кг), с и ИФТ общая масса составляет 244 кг. Замена дает силу - 23 Н.

    Как мы упоминали выше, сила сопротивления не зависит от скорости, так же как и ускорение. Тем не менее, мы можем сказать, что это больше, чем сила в 50 к.п.ч. и меньше, чем на 70 к.п.ч. А пока, давайте предположим, что это примерно сила торможения при 60 k.P.H.

    Если бы она ехала с постоянной скоростью примерно 60 к.п.ч. по прямой линии ускорение будет равно нулю, равно как и общая горизонтальная сила. Таким образом, ведущее колесо должно будет приложить силу 23 Н к земле. (Только один задний привод, и двигатель находится в колесе, чтобы минимизировать потери в трансмиссии.) Это звучит не так много: речь идет о массе 2,3 кг, которую вы можете с комфортом применить одним пальцем - объекту в состоянии покоя .Применяя эту силу со скоростью 60 к.ч.ч. менее легко. Посмотрим почему.

    Мощность . В главе «Энергия и мощность» мы увидели, что сила P, приложенная силой F, приложенной под углом θ к направлению движения точки, движущейся со скоростью v, равна

    Здесь θ - ноль для горизонтальной силы, поэтому замена дает P = 380 Вт. Человек в хорошей форме может обеспечить 380 Вт в течение длительных периодов, и даже больше в течение коротких периодов.(s unsw ift IV тоже может дать гораздо больше, чем это, особенно если это ясный день и солнце высоко в небе. Подробнее об этом ниже.)

    Солнечный гонщик UNSW с unsw ift IV на ипподроме Хидден-Вэлли в Дарвине, перед Мировым солнечным испытанием.

Пример остановки

    Мы упоминали ранее, что постоянное ускорение может быть лучшим приближением к остановке.Солнечные машины должны пройти тесты на остановку и управление, прежде чем участвовать в гонках. s unsw ift IV остановлено с 35 к.ч. отдохнуть в 4,5 м. Как и раньше, мы пишем
      v 2 - v 0 2 = 2aΔx, который мы переставляем, чтобы дать
      a = (v 2 - v 0 2 ) / 2Δx.

    Подставляя, получим а = - 10,5 м.с -1 . Таким образом, ее ускорение торможения немного больше, чем g.При массе 244 кг это дает общую тормозную силу 2,6 кН

    Тормоза и трение . По сравнению с 2,6 кН, 0,023 кН, рассчитанные нами выше для испытания на выбеге (на более высокой скорости), можно пренебречь. Таким образом, сила торможения почти полностью зависит от дороги, прилагаемой к колесам, что в данном случае включает в себя рекуперативное преобразование: двигатель колеса становится генератором и превращает часть кинетической энергии автомобиля обратно в электрическую энергию, которая накапливается в ее аккумуляторе.(Существует также сопротивление качению, но оно также невелико (скорее, менее 1% тормозного усилия.)

    Как мы видели в «Весе и силах контакта», для этого требуется ограничивающий коэффициент статического трения, превышающий единицу. На чистой дороге в сухих условиях могут быть достигнуты такие высокие значения, как 1,2 или 1,3, но не стоит рассчитывать на то, что это вообще можно быстро остановить!

Сопротивление воздуха

    Во многих случаях турбулентное сопротивление пропорционально v 2 , в хорошем приближении.Грубо говоря, машина разгоняет массу воздуха возле себя, выполняя работу в процессе. В своем бурном следе кинетическая энергия этого воздуха рассеивается в виде тепла. Предположим, что автомобиль путешествует по дх во времени дт. Предположим, что при этом сила F воздействует на воздух, а величина F равна силе сопротивления воздуха F и сопротивления (сила воздуха действует на автомобиль - третий закон Ньютона). Эта сила F ускоряет объем воздуха до скорости v автомобиля, который имеет поперечное сечение А.Теперь по очереди рассмотрим вопросы: какова масса этого воздуха? Сколько работы проделано для ее перемещения? Какая мощность требуется? Что такое сила сопротивления?

    Сколько воздуха перемещается? Во-первых, представьте неаэродинамическое транспортное средство, как городской автобус. Можно ожидать, что, когда шина движется вперед на dx, она ускоряет объем dV, как на рисунке. Давайте начнем с грубой аппроксимации: допустим, ускоренный объем равен dV = Adx. Если плотность воздуха равна ρ, то масса воздуха равна ρAdx.

    Сколько работы проделано для ее перемещения? В нашем грубом приближении весь этот воздух ускоряется до v, поэтому его кинетическая энергия равна ½mv 2 = ½ (ρAdx) v 2 .

    На практике не весь этот воздух разгоняется до скорости автобуса: некоторые скользят вокруг него. Кроме того, для тщательно разработанных форм может быть ускорена только небольшая часть - остальное отодвигается. Итак, давайте объединим эти два эффекта (доля воздуха перед ускоренным автомобилем и доля v, к которой он ускоряется) в одну постоянную, C D , называемую коэффициентом сопротивления.Это чистое число, которое, как мы ожидаем, будет примерно одним для автобуса и несколько меньшим для аэродинамической формы, как у солнечного гоночного автомобиля. Таким образом, работа по ускорению воздуха составляет ½C D (ρAdx) v 2

    Какая мощность требуется? Чтобы получить мощность, необходимую для выполнения этой работы за время dt, мы делим на dt. Положив dx / dt = v, получим:

      Мощность для преодоления сопротивления = (½C D ρA) v 3
    Это объясняет, почему аэродинамика так важна для скоростных характеристик: мощность, необходимая для преодоления турбулентного сопротивления, соответствует кубу скорости.(Если вам нужно, см. Главу об энергии и мощности).

Коэффициент аэродинамического сопротивления

    Что такое сила сопротивления? Давайте снова воспользуемся уравнением P = Fv cos θ, где снова θ равно нулю для горизонтальных сил и скорости. Итак, разделив обе стороны на v, мы имеем

    Что выглядит хорошо ... за исключением того, что мы не знаем C D : мы говорили выше, что это было «число, равное единице для автобуса и довольно меньшее для аэродинамической формы». Другими словами, это то, что мы называем фактором выдумки.Этот конкретный коэффициент помадки называется коэффициентом сопротивления. Он определяется только что полученным уравнением, то есть C D = F drag / (½ρAv 2 ). Однако, хотя это выглядит как тавтология, это все же полезное уравнение, потому что C D довольно постоянен - ​​он слабо зависит от v. Итак, как только мы узнаем C D по данным на одной или нескольких скоростях, мы можем предсказать силу сопротивления для других скоростей.

Как быстро может ехать машина?

    Предположим, что дорога ровная, что мощность P передается на колеса и что эта мощность используется только для преодоления сопротивления качению и аэродинамического сопротивления, поэтому, используя приведенные выше уравнения для мощности P и силы сопротивления F сопротивления ,

      P = (F прокатки + F сопротивление ) v = (F прокатки + ½C D ρAv 2 ) v

    Итак, нам нужно несколько параметров.В интервью, которое мы скоро загрузим, мы покажем, как это получается на практике. Однако давайте приведем некоторые значения.

    Для солнечных автомобилей доступная мощность зависит от того, использует ли один аккумулятор или нет. Тем не менее, для записи скорости движения солнечного автомобиля аккумуляторы запрещены: используемая мощность должна предоставляться в режиме реального времени только солнцем. В 2011 году S unsw ift установил рекорд скорости движения для солнечных автомобилей. Да, 88 км / ч на мощности феном.


    Другие проблемы с физикой автомобиля на Physclips
  • Стойки колес («колеса») и жесткое торможение: обсуждается на отдельной странице
  • Автомобильные столкновения: обсуждается на отдельной странице
.

Vehicle Physics Pro

Vehicle Physics Pro ( VPP для краткости) - это расширенный набор для моделирования транспортных средств для Unity 3D. что обеспечивает эффективную, полностью реалистичную и точную симуляцию транспортного средства практически для всех транспортных средств типы и конфигурации.

Особенности #

  • Точная и полная динамика автомобиля модель
  • Простота интеграции и настройки
  • Обширная, подробная документация
  • Широкие возможности настройки (дополнительные компоненты)
  • Эффективный, мобильный способный
  • Полная поддержка продукта
  • Подробный список возможностей...

Попробуйте бесплатную версию Community Edition !

Профессиональные и корпоративные лицензии доступны для частных лиц и компаний.

Контакт №

Вопросы? Не стесняйтесь писать на [email protected] | Дополнительные варианты поддержки

Также следите за физикой транспортных средств для регулярных объявлений и обновлений прогресса:

клиентов #

Отлично.Точный и Профессиональный. Я использую VPP уже более 4 лет, и все, что я могу сказать, это то, что этот продукт действительно потрясающий. Он хорошо продуман, все имеет смысл. Когда вы моделируете некоторую особенность и вторичную эффект появляется, это всегда реальное физическое или динамическое следствие. Это здорово, потому что иногда результат нелогичен, но VPP помогает вам понять реальность больше, чем ваше собственное восприятие.
(Мануэль Эспино, Симумак)

Физика превышения скорости автомобилей

Может показаться, что это немного, но езда даже на несколько километров в час сверх ограничения скорости значительно увеличивает риск несчастного случая.

Многие из нас немного обманывают во время вождения. Мы считаем, что в то время как ограничение скорости составляет 60 км / ч, полиция не остановит нас, если мы сядем на 65. Поэтому мы с радостью позволяем спидометру зависать чуть выше ограничения скорости, не подозревая, что таким образом мы значительно увеличиваем наши шансы сбой.

Используя данные о реальных дорожно-транспортных происшествиях, ученые из Университета Аделаиды оценили относительный риск попадания автомобиля в аварию - автомобильную аварию, в которой люди погибают или госпитализируются - для автомобилей, движущихся со скоростью 60 км / ч или выше.Они обнаружили, что риск примерно удваивается на каждые 5 км / ч выше 60 км / ч. Таким образом, автомобиль, движущийся со скоростью 65 км / ч, с вероятностью вдвое больше попадал в аварию, чем автомобиль, движущийся со скоростью 60 км / ч. Для автомобиля, движущегося со скоростью 70 км / ч, риск увеличился в четыре раза. Можно ожидать, что для скоростей ниже 60 км / ч вероятность катастрофического столкновения со смертельным исходом будет соответственно уменьшена.

Калькулятор тормозного пути

Небольшие условия могут существенно повлиять на время, необходимое для остановки автомобиля, например, при движении на несколько км / ч медленнее или на дороге.

Интерактив

метра
проехал до остановки машины

метра
пройдено до полного включения тормозов

метров пройдено до остановки машины

метров пройденного пути до полного включения тормозов

Физика, которая ведет вас

Время реакции

Одной из причин этого повышенного риска является время реакции - время, которое проходит между человеком, воспринимающим опасность и реагирующим на нее.Рассмотрим этот пример. Две машины одинакового веса и тормозной способности едут по одной и той же дороге. Автомобиль 1, движущийся со скоростью 65 км / ч, обгоняет Автомобиль 2, который движется со скоростью 60 км / ч. Ребенок на велосипеде, назовем его Сэм, выходит из проезжей части, когда две машины стоят рядом. Оба водителя одновременно видят ребенка, и им требуется 1,5 секунды, прежде чем они полностью задействуют тормоза. В эти несколько мгновений автомобиль 1 проезжает 27,1 метра, а автомобиль 2 - 25,0 метра.

Разница 2.1 метр может показаться относительно небольшим, но в сочетании с другими факторами это может означать разницу между жизнью и смертью для Сэма.

Цифра 1,5 секунды - это время реакции среднего гонщика. Водителю, который отвлекается, например, слушает громкую музыку, использует мобильный телефон или выпил алкоголь, может потребоваться до 3 секунд, чтобы среагировать.

Тормозной путь

Тормозной путь (расстояние, на которое автомобиль проезжает до остановки при включении тормозов) зависит от ряда переменных.Важен уклон или уклон проезжей части - автомобиль остановится быстрее, если будет подниматься в гору, потому что гравитация поможет. Сопротивление трению между дорогой и шинами автомобиля также важно: автомобиль с новыми шинами на сухой дороге будет менее склонен к заносу и остановится быстрее, чем автомобиль с изношенными шинами на мокрой дороге. Если уклон и сопротивление трения равны, то фактор, который больше всего влияет на тормозной путь, - это начальная скорость.

Формула, используемая для расчета тормозного пути, может быть получена из общего уравнения физики:

$$ V_ {f} ^ {2} = V_ {0} ^ {2} - 2ad $$

, где V f - конечная скорость, V 0 - начальная скорость, a - скорость замедления, а d - расстояние, пройденное во время замедления.{2} / 2a $$

Отсюда видно, что тормозной путь пропорционален квадрату скорости, что означает, что оно значительно увеличивается с увеличением скорости. Если мы предположим, что a равно 10 метрам в секунду в секунду, и предположим, что дорога ровная и тормозные системы двух автомобилей одинаково эффективны, мы можем теперь рассчитать тормозной путь для автомобилей 1 и 2 в нашем примере. Для автомобиля 1 d = 16,3 метра, а для автомобиля 2 d = 13,9 метра.

Если добавить тормозной путь к тормозному пути, тормозной путь для автомобиля 1 будет 27.1 + 16,3 = 43,4 метра. Для автомобиля 2 тормозной путь составляет 25 + 13,9 = 38,9 метра. Таким образом, для остановки автомобиля 1 требуется на 4,5 метра больше, чем для автомобиля 2, что на 12 процентов больше.

Теперь мы можем понять, почему Автомобиль 1 с большей вероятностью, чем Автомобиль 2, ударит Сэма. Если Сэм в 40 метрах от машины, когда его увидят водители, Автомобиль 2 остановится как раз вовремя. Автомобиль 1, тем не менее, будет пахать прямо в него. Переписав первое уравнение, мы можем вычислить скорость, с которой происходит столкновение:

$$ V_ {f} = \ sqrt {V_ {0} ^ {2} - 2ad} = 8.2 \ mbox {} метра \ mbox {} на \ mbox {} секунду $$

(где d = 40 метров минус расстояние реакции 27,1 метра = 12,9 метра).

Таким образом, удар происходит со скоростью около 30 км / час, вероятно, достаточно быстро, чтобы убить Сэма. Если бы начальная скорость автомобиля составляла 70 км / час, скорость удара была бы 45 км / час, более чем достаточно, чтобы убить.

В этих расчетах предполагается, что у водителя среднее время реакции. Если водитель отвлекается и у него больше времени реакции, чем обычно, он может ударить Сэма, не применяя тормоза вообще.

Воздействие на пешехода

Поскольку пешеход, Сэм, намного легче автомобиля, он мало влияет на его скорость. Автомобиль, однако, очень быстро увеличивает скорость Сэма с нуля до скорости удара транспортного средства. Время, затрачиваемое на это, примерно равно времени, которое требуется машине, чтобы проехать расстояние, равное толщине Сэма, - около 20 сантиметров. Скорость удара автомобиля 1 в нашем примере составляет около 8,2 метра в секунду, поэтому удар длится всего около 0,024 секунды.За это короткое время Сэм должен ускоряться со скоростью около 320 метров в секунду. Если Сэм весит 50 килограммов, то требуемая сила является произведением его массы и его ускорения - около 16 000 ньютонов или около 1,6 тонн веса.

Поскольку сила удара на Сэма зависит от скорости удара, деленной на время удара, она увеличивается как квадрат скорости удара. Скорость удара, как мы видели выше, быстро увеличивается с увеличением скорости движения, потому что тормоза не способны вовремя остановить автомобиль.

После того, как автомобиль был сбит пешеходом, вероятность серьезной травмы или смерти сильно зависит от скорости удара. Снижение скорости удара с 60 до 50 км / час почти вдвое снижает вероятность смерти, но оказывает сравнительно небольшое влияние на вероятность получения травмы, которая остается близкой к 100%. Снижение скорости до 40 км / час, как в школьных зонах, снижает вероятность смерти в 4 раза по сравнению с 60 км / час, и, конечно, вероятность удара также значительно снижается.

Современные автомобили с низкими обтекаемыми капотами более удобны для пешеходов, чем вертикальные, как, например, в полноприводных автомобилях, поскольку пешеход брошен вверх к ветровому стеклу с соответствующим замедлением удара. Автомобили с перекладинами особенно неприветливы к пешеходам и другим транспортным средствам, так как они предназначены для защиты своих пассажиров, не обращая внимания на других.

Воздействие на крупный объект

Если вместо удара пешехода автомобиль врезается в дерево, кирпичную стену или какой-либо другой тяжелый предмет, то энергия движения (кинетическая энергия) автомобиля рассеивается, когда кузов автомобиля изгибается и разбивается.{2} $$

увеличивается как квадрат скорости удара. Вождение очень тяжелого транспортного средства не сильно уменьшает эффект удара, потому что, хотя есть больше металла, чтобы поглотить энергию удара, есть также больше энергии, которая будет поглощена.

Меньше контроля

На более высоких скоростях автомобили становятся более трудными для маневра, факт, частично объясняемый Первым законом движения Ньютона. Это говорит о том, что если чистая сила, действующая на объект, равна нулю, то объект либо останется в покое, либо продолжит движение по прямой без изменения скорости.Это сопротивление объекта изменению состояния покоя или движения называется инертность , Именно инерция заставит вас двигаться, когда машина, в которой вы находитесь, внезапно остановится (если вы не пристегнуты ремнем безопасности).

Чтобы противодействовать инерции при движении по повороту на дороге, нам нужно приложить усилие, которое мы делаем, поворачивая рулевое колесо, чтобы изменить направление шин. Это заставляет автомобиль отклоняться от прямой линии, по которой он движется, и идет по повороту.Сила между шинами и дорогой увеличивается с увеличением скорости и с резкостью поворота (сила = масса × квадрат скорости, деленный на радиус поворота), увеличивая вероятность неконтролируемого заноса. Высокая скорость также увеличивает вероятность ошибки водителя, вызванной чрезмерным или недостаточным рулевым управлением (поворот рулевого колеса слишком далеко, тем самым «срезая угол» или не достаточно далеко, чтобы автомобиль столкнулся с внешним обочиной дороги).

Скорость убийцы

Все эти факторы показывают, что риск попадания в аварию резко возрастает с увеличением скорости.В исследовании, проведенном в университете Аделаиды, о котором говорилось ранее, это, безусловно, было справедливо в зонах, где ограничение скорости составляло 60 км / час: риск удваивался каждые 5 км / час сверх ограничения скорости. Соответствующее снижение следует ожидать в зонах с более низкими скоростными ограничениями.

Ты выбираешь скорость, но физика решает, живешь ты или умрешь. TAC Коммерческая безопасность дорожного движения

Вывод

Стоит ли риск? В нашем гипотетическом случае у водителя автомобиля 2, ехавшего с ограничением скорости, был бы ужасный испуг, но не более того.Водителю машины 1, проезжающей всего на 5 км / час сверх лимита, не повезло бы: выжил ли Сэм или умер, водителю грозит судебное разбирательство, возможное тюремное заключение и целая жизнь вины.

,

Смотрите также