Движение автомобиля это физическое явление
Перейти к содержимому

Движение автомобиля это физическое явление

  • автор:

Примеры физических явлений

Все физические тела состоят из вещества, и со всеми физическими телами происходят различные физические явления. Физические явления бывают: механическими, тепловыми, звуковыми, оптическими, электрическими и магнитными. Бывают и другие физические явления.

К механическим физическим явлениям относятся различные движения и взаимодействия тел. Человек может идти, мяч сталкиваться с поверхностью Земли и отскакивать, планеты двигаться по орбитам вокруг своих звезд, автомобили набирать скорость (ускоряться), лифт подниматься и опускаться.

Тепловые явления связаны с изменением температуры тел и возникающими в следствие этого изменениями их физического состояния. Так тела способны нагреваться и охлаждаться. Некоторые при этом плавятся (как железо на заводе или воск свечи при ее горении), другие испаряются (вода при нагревании), третьи переходят из газа в жидкое состояние или из жидкого в твердое (кислород при сильном охлаждении может сжижаться, вода превращается в лед).

К звуковым относят явления, связанные с распространением звука в различных средах (где быстрее распространяется звук, в воде или воздухе?), поведением звуковых волн при столкновении с препятствиями (что такое эхо?) и другие явления, связанные со звуком.

Оптические явления связаны со светом. Способность видеть у животных (в том числе и человека) возникла благодаря тому, что в природе есть свет. Под воздействием света растения синтезируют органические вещества (однако это не оптическое явление!). Такой раздел физики как оптика изучает, как свет распространяется, отражается от предметов, преломляются, проходя через различные среды.

Электрические и магнитные явления связаны друг с другом, поэтому изучаются совместно. Мы привыкли к электричеству и часто даже не задумываемся, с чем связано это явление. Оно связано с существованием электрически заряженных частиц. Открытие и изучение электрических явлений в недалеком прошлом позволили нам уже сейчас пользоваться электрическим освещением, превращать электричество в движение тел, изобрести телевидение и компьютеры. Магнитные явления можно наблюдать, когда постоянные магниты взаимодействуют между собой (Земля и компас) или притягивают железные предметы.

Примеры физических явлений

Физика — это наука об окружающей нас природе, она устанавливает самые общие закономерности, существующие между материальными объектами, и описывает их в виде физических законов. Любая из таких закономерностей проявляется в виде событий, называемых физическими явлениями. Поговорим об этих явлениях, рассмотрим их разнообразие и виды.

Физические явления в природе

Природа — это всё, что нас окружает. Земля, Солнце, воздух, предметы, люди, космос — всё это природа. Природа вечна и бесконечна.

Природа

Формой существования объектов в природе является движение в широком смысле — то есть всевозможные изменения, происходящие с ними. Не существует объектов, в которых бы никогда не происходило никаких изменений. Форма объекта, положение относительно других объектов, внутренняя структура, взаимодействия — хотя бы часть из этих характеристик любого предмета со временем всегда изменяется.

Изменения, происходящие с объектами в природе, объединяются под общим названием «явления». Большинство из них (но не все) изучает физика, поэтому такие явления называются физическими. Физическое явление — это явление, происходящее с материальными объектами, при котором предметы и вещества меняют своё состояние и характеристики, но при этом не появляется новых веществ.

Имеется одно исключение. Ядерная физика изучает явления, происходящие с атомным ядром, при которых одни вещества могут превращаться в другие.

Виды физических явлений

К физическим явлениям относятся механические, тепловые, звуковые электромагнитные, световые и некоторые другие процессы. Их можно представить в виде таблицы:

Таблица физических явлений

Приведём примеры физических явлений разных видов.

Механические явления

Механика изучает движение в узком смысле. То есть изменение положения тел в пространстве со временем и взаимодействие между этими телами.

Примеры механических явлений — это движение и соударение предметов, разгон и торможение, уравновешивание весов, земное притяжение, движения планет, сжатие пружины, всплывание предметов в жидкости.

Тепловые явления

Термодинамика изучает физическую сущность тепла, его источники и перенос между телами.

Примеры тепловых явлений — нагрев и остывание, кипение и конденсация, плавление и затвердевание.

Звуковые явления

Акустика изучает закономерности появления звука и его распространения в различных средах.

К звуковым явлениям относится сам звук, его слышимость, звуковоспроизведение и звукоизоляция.

Электромагнитные явления

Электродинамика изучает все, что относится к особой форме материи — электромагнитному полю.

Примеры электромагнитных явлений — это молния, электризация предметов, работа электрических приборов, движение тока по проводам, магнитные взаимодействия, работа электронных устройств.

Световые явления

Оптика изучает законы распространения света.

К световым явлениям относятся появление теней и полутеней, увеличение линзы, разложение белого света в спектр.

Явления, не изучаемые физикой

В заключение приведём пример явлений, которые физика не изучает. В первую очередь, это явления, относящиеся к смежным наукам. Например, превращения одних веществ в другие изучаются химией. Законы количественных соотношения и закономерностей изучаются математикой. Математика — это фактически «язык физики», физические наблюдения становятся законами только тогда, когда они выражены количественно на языке математики.

Кроме того, вне интересов физики лежат явления, происходящие в обществе, мыслительные процессы, искусство, религия, интересы людей. Эти явления изучаются гуманитарными науками.

Гуманитарные науки

Что мы узнали?

Физика изучает природные явления. Природа — это всё, что окружает нас. К физическим явлениям относятся механические, тепловые, звуковые, электромагнитные, световые процессы, происходящие в природе.

Движение автомобиля это какое физическое явление

В повседневной жизни нам регулярно приходится сталкиваться с различными видами движения. Мы видим, как ходят люди, едут машины, плывут облака, летят птицы и самолеты и т.д.

Что такое движение?

Движение — это перемещение тела в пространстве относительно других тел с течением времени. Например, с уверенностью сказать, что автомобиль движется, можно только после того, как мы увидим перемещение этого автомобиля относительно неподвижного объекта, например дома, магазина, пешеходного перехода или автобусной остановки. Точно так же мы определяем, движется ли самолет, велосипед, поезд или человек.

34

Относительность движения

Интересный момент: представь, что ты с родителями едешь в машине. Находясь в автомобиле, ты движешься относительно дороги, но относительно самой машины и родителей, которые сидят рядом, ты находишься в состоянии покоя. Именно поэтому, когда речь идет о движении тела, нужно обязательно указывать, относительно каких тел происходит это движение.

33

В природе движется все

Физика чаще всего рассматривает движение тел относительно Земли. Примеров механического движения очень много: течение воды, полет самолета, движение человека, кошки или собаки, передвижение автомобиля, перемещение воздуха и т.д.

В это трудно поверить, но в природе движется абсолютно все. Причем движение не останавливается ни на минуту. Ты наверняка не задумывался над тем, что один из примеров механического движения — состояние покоя. Даже когда ты стоишь на Земле, ты движешься относительно Солнца, так как Земля совершает вращательное движение вокруг Солнца.

Что такое траектория?

При перемещении в пространстве тело движется по определенной линии. Эта линия и называется траекторией движения.

Траектория может быть видимой. Например, «хвост» самолета в небе, отпечатки сапог человека или лап собаки на снегу.

Иногда траектория не видна: мы не видим след летящих птиц.

Скорость движения

Все тела движутся, но одни медленнее, другие быстрее. Простые примеры: ты идешь в школу, рядом с тобой по дороге едут автомобили, в небе летят самолеты.

Совершенно очевидно, что ты движешься медленнее автомобиля и самолета, а самолет — быстрее автомобиля. Используя понятие «скорость», ты с уверенностью можешь сказать, что человек, машина и самолет движутся с разными скоростями.

Скорость — это величина, характеризующая быстроту движения. Когда говорят, что человек идет со скоростью 5 км/ч, автомобиль едет со скоростью 60 км/ч, а скорость самолета — 800 км/ч, это означает, что за один час человек пройдет расстояние, равное 5 км, автомобиль проедет 60 км, а самолет за час пролетит 800 км!

Какие бывают виды механического движения?

Механическое движение бывает равномерным и неравномерным.

35

36

Если тело движется с постоянной скоростью и за любые равные промежутки времени проходит равные расстояния, то такое движение называется равномерным.

А если скорость меняется (то увеличивается, то уменьшается), и расстояния, которые проходит тело, становятся неодинаковыми, то такое движение называется неравномерным.

Именно неравномерное движение в природе встречается гораздо чаще.

1. К понятию «физическое тело» относятся…

А) снег; Б) снегопад; В) минута; Г) будильник; Д) время.

2. Примерами механических явлений являются…

А) движение автомобиля; Б) кипение воды; В) раскаты грома;

Г) сверкание молнии; Д) окисление железа.

3. Перевести 125 см в систему СИ:

А) 12,5 м; Б) 1,25 м; В) 0,125 м; Г) 12,5 дм; Д) 1250 мм.

4. Одинаковы ли молекулы льда, воды, водяного пара?

А) одинаковы Б) одинаковы только для льда и воды

В) не одинаковы; Г) только воды и пара; Д) только пара и льда

5. Диффузия относится к понятию…

А) физическое тело; Б) физическая величина; В) физическое явление;

Г) вещество; Д) единица измерения физической величины.

6. Примерами аморфных твердых тел являются…

А) алмаз; Б) сахар; В) соль; Г) кварц; Д) янтарь.

7. Лед растопили, а часть полученной воды испарили. При этом молекулы…

А) увеличивались; Б) уменьшались; В) оставались прежними;

Г) исчезали; Д) превращались в атомы.

8. Определите цену деления шкалы мензурки (рис). Укажите предел измерения. В мензурку была налита вода до уровня А. После погружения цилиндра в мензурку, вода поднялась до уровня В. Определите объем цилиндра.

9. Преобразуйте числа

а) Запиши число в стандартном виде:

Диаметр Солнца 1390000000м

б) Запиши число в обычном виде

Инфузория-туфелька составляет 2⋅10-4м

10. Решите качественную задачу

(ответить на вопрос, основываясь на физических законах)

Можно ли сказать, что объем газа в сосуде равен сумме объемов его молекул? Поясните ответ.

11. Какой из двух измерительных линеек, с большей или меньшей ценой деления, можно более точно измерить длину? Почему?

Механическое движение

60544603947d3327769550

Механическое движение

Когда мы идем в школу или на работу, автобус подъезжает к остановке или сладкий корги гуляет с хозяином, мы имеем дело с механическим движением.

Механическим движением называется изменение положения тел в пространстве относительно других тел с течением времени.

«Относительно других тел» — очень важные слова в этом определении. Для описания движения нам нужны:

В совокупности эти три параметра образуют систему отсчета.

В механике есть такой раздел — кинематика. Он отвечает на вопрос, как движется тело. Дальше мы с помощью кинематики опишем разные виды механического движения. Не переключайтесь ��

Прямолинейное равномерное движение

Движение по прямой, при котором тело проходит равные участки пути за равные промежутки времени называют прямолинейным равномерным. Это любое движение с постоянной скоростью.

Например, если у вас ограничение скорости на дороге 60 км/ч, и у вас нет никаких препятствий на пути — скорее всего, вы будете двигаться прямолинейно равномерно.

Мы можем охарактеризовать это движение следующими величинами.

Скалярные величины (определяются только значением)

Векторные величины (определяются значением и направлением)

Проецирование векторов

Векторное описание движения полезно, так как на одном чертеже всегда можно изобразить много разнообразных векторов и получить перед глазами наглядную «картину» движения.

Однако всякий раз использовать линейку и транспортир, чтобы производить действия с векторами, очень трудоёмко. Поэтому эти действия сводят к действиям с положительными и отрицательными числами — проекциями векторов.

Если вектор сонаправлен с осью, то его проекция равна длине вектора. А если вектор противоположно направлен оси — проекция численно равна длине вектора, но отрицательна. Если вектор перпендикулярен — его проекция равна нулю.

60522cdc536e5831998054

Скорость может определяться по вектору перемещения и пути, только это будут две разные характеристики.

Скорость — это векторная физическая величина, которая характеризует быстроту перемещения, а средняя путевая скорость — это отношение длины пути ко времени, за которое путь был пройден.

Скорость

→ →
V = S/t


V — скорость [м/с]

S — перемещение [м]
t — время [с]

Средняя путевая скорость

V ср.путевая = S/t

V ср.путевая — средняя путевая скорость [м/с]
S — путь [м]
t — время [с]

Задача

Найдите, с какой средней путевой скоростью должен двигаться автомобиль, если расстояние от Санкт-Петербурга до Великого Новгорода в 210 километров ему нужно пройти за 2,5 часа. Ответ дайте в км/ч.

Решение:

Возьмем формулу средней путевой скорости
V ср.путевая = S/t

Подставим значения:
V ср.путевая = 210/2,5 = 84 км/ч

Ответ: автомобиль будет двигаться со средней путевой скоростью равной 84 км/ч

Уравнение движения

Основной задачей механики является определение положения тела в данный момент времени. Для решения этой задачи помогает уравнение движения, то есть зависимость координаты тела от времени х = х(t).

Уравнение движения

x(t) = x0 + vxt

x(t) — искомая координата [м]
x0 — начальная координата [м]
vx — скорость тела в данный момент времени [м/с]
t — момент времени [с]

Если положительное направление оси ОХ противоположно направлению движения тела, то проекция скорости тела на ось ОХ отрицательна, скорость меньше нуля (v

Уравнение движения при движении против оси

x(t) — искомая координата [м]
x0 — начальная координата [м]
vx — скорость тела в данный момент времени [м/с]
t — момент времени [с]

Графики

Изменение любой величины можно описать графически. Вместо того, чтобы писать множество значений, можно просто начертить график — это проще.

В видео ниже разбираемся, как строить графики кинематических величин и зачем они нужны.

Прямолинейное равноускоренное движение

Чтобы разобраться с тем, что за тип движения в этом заголовке, нужно ввести новое понятие — ускорение.

Ускорение — векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости. В международной системе единиц СИ измеряется в метрах, деленных на секунду в квадрате.

СИ — международная система единиц. «Перевести в СИ» означает перевод всех величин в метры, килограммы, секунды и другие единицы измерения без приставок. Исключение — килограмм с приставкой «кило».

Итак, прямолинейное движение — это движение с ускорением по прямой линии. Движение, при котором скорость тела меняется на равную величину за равные промежутки времени.

Уравнение движения и формула конечной скорости

Основная задача механики не поменялась по ходу текста — определение положения тела в данный момент времени. У равноускоренного движения в уравнении появляется ускорение.

Уравнение движения для равноускоренного движения

x(t) = x0 + v0xt + axt^2/2

x(t) — искомая координата [м]
x0 — начальная координата [м]
v0x — начальная скорость тела в данный момент времени [м/с]
t — время [с]
ax — ускорение [м/с^2]

Для этого процесса также важно уметь находить конечную скорость — решать задачки так проще. Конечная скорость находится по формуле:

Формула конечной скорости

→ →
v = v0 + at


v — конечная скорость тела [м/с]
v0 — начальная скорость тела [м/с]
t — время [с]

a — ускорение [м/с^2]

Задача

Найдите местоположение автобуса через 0,5 часа после начала движения, разогнавшегося до скорости 60 км/ч за 3 минуты.

Решение:

Сначала найдем ускорение автобуса. Его можно выразить из формулы конечной скорости:

Так как автобус двигался с места, v0 = 0. Значит
a = v/t

Время дано в минутах, переведем в часы, чтобы соотносилось с единицами измерения скорости.

3 минуты = 3/60 часа = 1/20 часа = 0,05 часа

Подставим значения:
a = v/t = 60/0,05 = 1200 км/ч^2
Теперь возьмем уравнение движения.
x(t) = x0 + v0xt + axt^2/2

Начальная координата равна нулю, начальная скорость, как мы уже выяснили — тоже. Значит уравнение примет вид:

Ускорение мы только что нашли, а вот время будет равно не 3 минутам, а 0,5 часа, так как нас просят найти координату в этот момент времени.

Подставим циферки:
x = 1200*0,5^2/2 = 1200*0,522= 150 км

Ответ: через полчаса координата автобуса будет равна 150 км.

Графики

Мы уже знаем, что такое графики функций и зачем они нужны. Для прямолинейного равноускоренного движения графики будут отличаться. Об этом — в видео ниже

Движение по вертикали

Движение по вертикали — это частный случай равноускоренного движения. Дело в том, что на Земле тела падают с одинаковым ускорением — ускорением свободного падения. Для Земли оно приблизительно равно 9,81 м/с^2, а в задачах мы и вовсе осмеливаемся округлять его до 10 (физики просто дерзкие).

Вообще в значении ускорения свободного падения для Земли очень много знаков после запятой. В школе обычно дают значение: g = 9,8 м/с2. В экзаменах ОГЭ и ЕГЭ в справочных данных дают g = 10 м/с2.

Частным случаем движения по вертикали (частным случаем частного случая, получается) считается свободное падение — это равноускоренное движение под действием силы тяжести, когда другие силы, действующие на тело, отсутствуют или пренебрежимо малы.

Помните о том, что свободное падение — это не всегда движение по вертикали. Если мы бросаем тело вверх, то начальная скорость, конечно же, будет.

Законы движения автомобиля

При всей сложности управления автомобилем работа водителя сводится, в конечном счете, к регулированию трех параметров: скорости движения, необходимого для движения усилия и направления. А сложность управления возникает из-за разнообразия условий, в которых происходит движение, и множества вариантов сочетаний скорости, усилий и направления. В каждом из этих вариантов поведение автомобиля имеет свои особенности и подчиняется определенным законам механики, свод которых называют теорией автомобиля. Она учитывает и наличие среды движения, то есть поверхности, по которой катятся колеса, и воздушной среды.
Таким образом, эта теория охватывает два из трех звеньев интересующей нас системы «водитель — автомобиль — дорога». Но движение автомобиля возникает (и законы движения вступают в силу) только после того или иного, правильного или неправильного действия водителя. Увы, влиянием этого действия на поведение автомобиля мы иной раз пренебрегаем. Так, не всегда принимаем в расчет, исследуя разгон, что его интенсивность зависит, кроме характеристик машины и дороги, еще и от того, в какой степени водитель их учитывает, например сколько секунд он тратит на переключение передач. Подобных примеров можно привести множество.
Задача наших бесед — помочь водителю правильно Понимать и учитывать законы поведения автомобиля. Тем самым можно обеспечить, на научной основе, максимальное использование качеств автомобиля, заложенных в его технической характеристике, и безопасность движения при наименьших затратах энергии — механической (автомобиля), физической и психической (водителя).
Законы поведения автомобиля принято группировать вокруг следующих его качеств:
динамичности движения, то есть скоростных свойств;
проходимости, то есть способности преодолевать (или обходить) препятствия;
устойчивости и управляемости, то есть способности послушно идти по заданному водителем курсу;
плавности хода, то есть обеспечения благоприятной характеристики колебаний пассажиров и груза в кузове (не путать с плавностью работы двигателя и автоматической трансмиссии!);
экономичности, то есть способности совершать полезную транспортную работу при минимальном расходе топлива и других материалов.
Законы поведения автомобиля, относящиеся к разным группам, в большой мере взаимосвязаны. Если, например, некий автомобиль не обладает хорошими показателями плавности хода и устойчивости, то водителю трудно, а в иных условиях невозможно поддерживать нужную скорость, хотя бы и при высоких динамических показателях машины. Даже такие, казалось бы, второстепенные факторы, как акустические данные, влияют опять-таки на динамичность: многие водители предпочтут вялый разгон интенсивному, если последний у данной модели сопровождается сильным шумом двигателя и трансмиссии.
Между элементами системы «водитель — автомобиль — дорога» существуют связующие звенья. Между дорогой и водителем — это информация, воспринимаемая его зрением и слухом» Между водителем и автомобилем — органы управления, воздействующие на его механизмы, и обратная реакция, воспринимаемая мышцами, органами равновесия водителя и опять-таки зрением (приборы) и слухом. Между автомобилем и дорогой (средой) — поверхность контакта шин с дорогой (а также соприкасающаяся с воздухом поверхность кузова и других частей машины).

Законы движения автомобиля 1977-07-1.jpg

Взаимосвязь элементов системы «водитель — автомобиль — дорога».

Ограничим несколько круг рассматриваемых нами вопросов: будем считать, что водитель получает достаточную и правильную информацию, ничто не мешает ему быстро и точно обрабатывать ее и принимать верные решения. Тогда каждый закон поведения автомобиля подлежит рассмотрению по схеме: автомобиль движется в таких-то условиях — в местах контакта шин с дорогой и поверхности автомобиля с воздухом происходят такие-то явления — водитель действует, чтобы сохранить или изменить данный характер движения, — действия водителя передаются через органы управления механизмам автомобиля, а от них колесам — в местах контакта происходят новые явления — характер движения автомобиля сохраняется или изменяется.
Все это как будто хорошо известно автомобилистам, но не всегда и не все они одинаково трактуют те или иные понятия. А наука требует точности, строгости. Поэтому необходимо, прежде чем изучать поведение автомобиля в разных ситуациях, кое о чем напомнить и условиться. Таким образом, мы поговорим о том, чем располагает водитель, отправляясь в путь.
В первую очередь — о массе автомобиля. Нас будут интересовать только два его так называемых весовых состояния — «полная масса» и состояние, которое условно назовем ходовым. Массу называют полной, когда автомобиль — с водителем, пассажирами (по числу мест в кузове) и грузом, причем полностью заправлен топливом, смазкой и другими жидкостями, укомплектован запасным колесом и инструментом. Масса пассажира принимается равной 76 кг, багажа — по 10 кг на человека. При ходовом состоянии «на борту» находится водитель, но нет ни пассажиров, ни груза: то есть автомобиль может передвигаться, но не загружен. О «собственной» (без водителя и нагрузки) и тем более «сухой» массе (помимо того без топлива, смазки и т. д.) говорить не будем, так как в этих состояниях машина не может двигаться.
Большое влияние на поведение автомобиля оказывает распределение его массы по колесам, или его так называемая осевая нагрузка, и нагрузка, приходящаяся на каждое колесо и шину. У современных легковых автомобилей в ходовом состоянии на передние колеса приходится 45—60% массы, на задние — 55—40%. Первые числа относятся к автомобилям с задним расположением двигателя, вторые — к переднемоторным. С полной нагрузкой отношение меняется на примерно обратное (у «Запорожца», правда, незначительно). У грузовиков масса в ходовом состоянии распределяется между колесами почти поровну, полная же масса — в отношении около 1 : 2, то есть задние колеса нагружены вдвое больше передних. Поэтому на них устанавливаются двойные скаты.
Вез источника энергии, как и без водителя, наш «Москвич» или ЗИЛ не мог бы двигаться. Только на спусках или после разгона автомобиль может пройти известный отрезок пути без помощи двигателя, расходуя накопленную энергию. У большей части автомобилей источником энергии служит двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Применительно к теории автомобиля водителю о нем необходимо знать сравнительно немного, а именно — что он дает для движения. Это мы выясним, рассмотрев скоростные характеристики. Кроме того, надо представлять себе, в каком количестве двигатель расходует топливо, то есть знать его экономическую, или топливную, характеристику.

Законы движения автомобиля 1977-07-2.jpg

Внешняя скоростная характеристика (ВСХ) двигателя показывает изменение мощности (Ne — в л.с. и кВт) и вращающего (крутящего) момента (Ме — в кГм), развиваемых при разных числах оборотов вала и при полном открытии дроссельной заслонки. В нижней части графика — экономическая характеристика: зависимость удельного расхода топлива (g — в Г/л. с.-час) от числа оборотов в минуту.

Скоростные характеристики — это графики изменения мощности и вращающего (крутящего) момента, развиваемых двигателем, в зависимости от числа оборотов его вала (скорости вращения) при полном или частичном открытии дроссельной заслонки (здесь речь идет о карбюраторном двигателе). Напомним, что момент характеризует усилие, которое может «предоставить» двигатель автомобилю и водителю для преодоления тех или иных сопротивлений, а мощность — это отношение усилия (работы) ко времени. Наиболее важна скоростная характеристика, снятая, как говорят, «на полном дросселе». Ее называют внешней. В ней существенны самые верхние точки кривых, соответствующие наибольшим мощности и вращающему моменту, каковые обычно и записывают в технические характеристики автомобилей и двигателей. Например, для двигателя ВАЗ—2101 «Жигули» — 62 л. с. (47 кВт) при 5600 об/мин и 8,9 кГм при 3400 об/мин.

Законы движения автомобиля 1977-07-3.jpg

Частичная скоростная характеристика двигателя показывает изменение мощности, развиваемой при различном открытии дроссельной заслонки карбюратора.
Как видим, число оборотов при наибольшем количестве «кГм» значительно меньше числа оборотов, соответствующих максимуму «л. с». Это значит, что если дроссельная заслонка карбюратора полностью открыта, то вращающий момент при сравнительно небольших мощности двигателя и скорости движения автомобиля будет наибольшим, а при уменьшении или увеличении числа оборотов величина момента снизится. Что в этом положении важно для автомобилиста? Важно, что пропорционально моменту изменяется и тяговое усилие на колесах автомобиля. При езде с дросселем, не полностью открытым (см. график), всегда можно увеличить мощность и момент, сильнее нажав на педаль акселератора.
Тут, забегая вперед, уместно подчеркнуть, что мощность, переданная к ведущим колесам, не может оказаться больше той, что получена от двигателя,какие бы устройства ни были применены в системе трансмиссии. Другое дело — вращающий момент, который можно изменять, вводя в трансмиссию пары шестерен с соответствующими передаточными числами.

Законы движения автомобиля 1977-07-4.jpg

Экономические характеристики двигателя при различном открытии дроссельной заслонки.

Экономическая характеристика двигателя отражает удельный расход топлива, то есть его расход в граммах на одну лошадиную силу (или один киловатт) в час. Эта характеристика, как и скоростная, может быть построена для работы двигателя при полной или частичной нагрузках. Особенность двигателя такова, что при уменьшении открытия дросселя приходится расходовать больше топлива на получение каждой единицы мощности.
Описание характеристик двигателя приведено здесь несколько упрощенно, но оно достаточно для практической оценки динамических и экономических показателей автомобиля.

Законы движения автомобиля 1977-07-5.jpg

Потери на работу механизмов трансмиссии. Здесь Ne и Ме — мощность и вращающий момент двигателя, NK и Мк — мощность и вращающий момент, подведенные к ведущим колесам.

Не вся энергия, получаемая от двигателя, используется непосредственно для движения автомобиля. Есть еще и «накладной расход» — на работу механизмов трансмиссии. Чем меньше этот расход, тем выше коэффициент полезного действия (КПД) трансмиссии, обозначаемый греческой буквой η (эта). КПД — это отношение мощности, переданной на ведущие колеса, к мощности двигателя, измеренной на его маховике и записанной в техническую характеристику данной модели.
Механизмы не только передают энергию от двигателя, но и сами частично расходуют ее — на трение (пробуксовку) дисков сцепления, трение зубьев шестерен, а также в подшипниках и карданных сочленениях и на взбалтывание масла (в картерах коробки передач, ведущего моста). От трения и взбалтывания масла механическая энергия превращается в тепловую и рассеивается. Этот «накладной расход» непостоянен — он увеличивается, когда в работу включается дополнительная пара шестерен, когда карданные шарниры работают под большим углом, когда масло очень вязкое (в холодную погоду), когда на повороте активно работают шестерни дифференциала (при движении по прямой их работа невелика).
КПД трансмиссии равен приблизительно:
— для легковых автомобилей 0,91—0,97,
для грузовых — 0,85 0,89.
При движении на повороте эти величины ухудшаются, то есть снижаются, на 1—2%. при езде по очень неровной дороге (работа карданов) — еще на 1—2%. в холодную погоду — еще на 1—2%, при движении на низших передачах — еще примерно на 2 %. Так что, если все эти условия движения наступают одновременно, «накладной расход» увеличивается почти вдвое, и значение КПД может снизиться у легкового автомобиля до 0,83—0,88, у грузового — до 0,77—0,84.

Законы движения автомобиля 1977-07-6.jpg

Схема основных размеров колеса и шины.

Перечень того, что дано в распоряжение водителя для выполнения определенной транспортной работы, завершают колеса. От характеристики колеса зависят все качества автомобиля: динамичность, экономика, плавность хода, устойчивость, безопасность движения. Говоря о колесе, мы имеем в виду прежде всего его главный элемент — шину.
Основную нагрузку от массы автомобиля воспринимает воздух, находящийся в камере шины. На единицу количества воздуха должно приходиться определенное, всегда одинаковое количество килограммов нагрузки. Другими словами, отношение нагрузки, приходящейся на колесо, к количеству сжатого воздуха в камере шины должно быть постоянным. На основе этого положения и с учетом жесткости шины, действия центробежной силы при вращении колеса и т. д. найдена примерная зависимость между размерами шины, внутренним давлением р в ней и приходящейся на шину допустимой нагрузкой Gk

Законы движения автомобиля 1977-07-7.jpg

где Ш — коэффициент удельной грузоподъемности шины.
Для радиальных шин коэффициент Ш равен — 4,25; для грузовых большего размера — 4. Для шин с метрическими обозначениями величина Ш составляет соответственно 0,00775; 0,007; 0,0065 и 0,006. Размеры шин вписывают в уравнение такими, как они фиксированы в ГОСТах на шины — в дюймах или миллиметрах.
Следует обратить внимание на то, что размер диаметра обода входит в наше уравнение в первой степени, а размер (диаметр) сечения профиля — в третьей, то есть в кубе. Отсюда вывод: решающее значение для грузоподъемности шины имеет сечение профиля, а не диаметр обода. Подтверждением может служить и такое наблюдение: записанные в ГОСТе величины допустимой нагрузки на шину почти пропорциональны квадрату размера сечения.
Из размеров шины нас будет особо интересовать радиус rк качения колеса, причем так называемый динамический, то есть замеренный при движении автомобиля, когда этот радиус увеличивается, по сравнению со статическим радиусом колеса с шиной, от ее нагрева и от действия центробежной силы. Для дальнейших расчетов можно принять rк равным половине диаметра шины, приведенного в ГОСТе.
Подведем итог. Водителю даны: автомобиль с определенной массой, которая распределяется на передние и задние колеса; двигатель с известной характеристикой мощности, вращающего момента и оборотов; трансмиссия с известными коэффициентом полезного действия и передаточными числами; наконец, колеса с шинами определенных размеров, грузоподъемности и внутреннего давления.
Задача водителя — в том, чтобы использовать все это богатство наивыгоднейшим образом: достигнуть цели поездки быстрей, безопасней, с наименьшими расходами, с наибольшими удобствами для пассажиров и сохранностью груза.

Равномерное движение

Вряд ли водитель будет на ходу проводить расчеты, почерпнутые из этих простых формул. Для расчетов не хватит времени, да они только отвлекут внимание от управления машиной. Нет, он будет действовать на основе своего опыта и знаний. Но все-таки лучше, если к ним добавится хотя бы общее понимание физических законов, которым подчиняются процессы работы автомобиля.

Законы движения автомобиля 1978-03-1.jpg

Силы, действующие на колесо:
Gk — вертикальная нагрузка;
Мk — вращающий момент, приложенный к колесу;
Рk — тяговое усилие;
Rв — вертикальная реакция;
Rг — горизонтальная реакция.

Возьмем самый, казалось бы, простой процесс — равномерное движение по прямой и ровной дороге. Тут на ведущее колесо действуют: вращающий момент Мk, переданный от двигателя и создающий тяговую силу Рk; равная последней горизонтальная реакция Rk, действующая в обратном направлении, то есть по ходу автомобиля; сила тяжести (масса), соответствующая нагрузке Gk на колесо, и равная ей вертикальная реакция Rв.
Тяговую силу Рk можно вычислить, разделив вращающий момент, подведенный к ведущим колесам, на их радиус качения. Напомним, что поступающий от двигателя к колесам вращающий момент коробка и главная передача увеличивают в несколько раз соответственно своим передаточным числам. А поскольку в трансмиссии неизбежны потери, то величину этого возросшего момента надо умножить на коэффициент полезного действия трансмиссии.

Законы движения автомобиля 1978-03-2.jpg

Значения коэффициента сцепления (φ) Для асфальтового покрытия при разном его состоянии.

В каждое отдельно взятое мгновение ближайшие к дороге точки в зоне контакта колеса с дорогой неподвижны относительно нее. Если бы они перемещались относительно поверхности дороги, то колесо буксовало бы, а автомобиль не двигался. Чтобы точки контакта колеса с дорогой были неподвижными (напомним — в каждое отдельно взятое мгновение!), требуется хорошее сцепление шины с поверхностью дороги, оцениваемое коэффициентом сцепления φ («фи»). На мокрой дороге с увеличением скорости сцепление резко уменьшается, так как шина не успевает выдавливать воду, находящуюся в области контакта ее с дорогой, и остающаяся пленка влаги облегчает скольжение шины.
Но вернемся к тяговой силе Рk. Она представляет собой воздействие ведущих колес на дорогу, на что дорога отвечает равной по величине и противоположной по направлению силой реакции Rr. Прочность контакта (то есть сцепления) колеса с дорогой, а значит, и величина реакции Rr, пропорциональна (школьный курс физики) силе Gk (а это часть массы машины, приходящаяся на колесо), прижимающей колесо « дороге. И тогда максимально возможное значение Rr будет равно произведению φ и приходящейся на ведущее колесо части массы автомобиля (то есть Gk). φ — коэффициент сцепления, знакомство с которым состоялось только что.
И теперь мы можем сделать несложный вывод: если тяговая сила Рk будет меньше реакции Rr или, в крайнем случае, равна ей, то колесо буксовать не станет. Если же эта сила окажется больше реакции, то наступит пробуксовка.
На первый взгляд кажется, что коэффициент сцепления и коэффициент трения — понятия равнозначные. Для дорог с твердым покрытием такой вывод довольно близок к действительности. На мягком же грунте (глина, песок, снег) картина иная, и буксование наступает не от недостатка трения, а от разрушения колесом слоя почвы, находящегося с ним в контакте.
Возвратимся, однако, на твердую почву. Когда колесо катится по дороге, оно испытывает сопротивление движению. За счет чего?
Дело в том, что шина деформируется. При перекатывании колеса к точке контакта все время подходят сжатые элементы шины, а отходят — растянутые. Взаимное перемещение частиц резины вызывает трение между ними. Деформация шиной грунта тоже требует затрат энергии.
Практика показывает, что сопротивление качению должно возрастать с понижением давления в шине (увеличиваются ее деформации), с увеличением окружной скорости шины (ее растягивают центробежные силы), а также на неровной или шероховатой поверхности дороги и при наличии крупных выступов и углублений протектора.
Это на твердой дороге. А мягкую или не очень твердую, даже размягченный от жары асфальт, шина проминает, и на это тоже затрачивается часть тяговой силы.

Законы движения автомобиля 1978-03-3.jpg

Коэффициент сопротивления качению на асфальте увеличивается с возрастанием скорости и с понижением давления в шинах.

Сопротивление качению колеса оценивают коэффициентом f. Его величина растет с повышением скорости движения, понижением давления в шинах и с увеличением неровности дороги. Так, на булыжнике или гравийном шоссе для преодоления сопротивления качению нужна в полтора раза большая сила, чем ,на асфальте, а на проселке — в два раза, на песке — в десять раз большая!
Силу Pf сопротивления качению автомобиля (на определенной скорости) подсчитывают несколько упрощенно, как произведение полной массы автомобиля и коэффициента f сопротивления качению.
Может показаться, что силы сцепления Рφ и сопротивления качению Рf тождественны. Далее читатель убедится, что между ними есть различия.
Чтобы автомобиль двигался, тяговая сила должна быть, с одной стороны, меньше силы сцепления колес с грунтом или, в крайнем случае, равна ей, а с другой — больше силы сопротивления движению (которая при езде с невысокой скоростью, когда сопротивление воздуха незначительно, можно считать равной силе сопротивления качению) или же равна ей.
В зависимости от скорости вращения вала двигателя и открытия дроссельной заслонки вращающий момент двигателя изменяется. Почти всегда можно найти такое сочетание значений вращающего момента двигателя (соответствующим нажимом на акселератор) и выбора передач в коробке, чтобы постоянно быть в рамках только что названных условий движения автомобиля.
Для умеренно быстрого движения по асфальту (как следует из таблицы) необходима значительно меньшая тяговая сила, чем та, какую автомобили способны развить даже на высшей передаче. Поэтому ехать нужно с полуприкрытой дроссельной заслонкой. В этих условиях машины, как говорят, обладают большим запасом тяги. Этот запас необходим для разгона, обгона, преодоления подъемов.
На асфальте, если он сухой, сила сцепления, за редким исключением, больше тяговой силы на любой передаче в трансмиссии. Если же он мокрый или обледенелый, то движение на пониженных передачах (и троганье с места) без буксования возможно только при неполном открытии дроссельной заслонки, то есть со сравнительно небольшим моментом двигателя.

Законы движения автомобиля 1978-03-4.jpg

График мощностного баланса. Точки пересечения кривых соответствуют наибольшим скоростям на ровной дороге (справа) и на подъеме (левая точка).

Каждый водитель, каждый конструктор хочет знать возможности данного автомобиля. Самые точные сведения дают, конечно, тщательные испытания в различных условиях. При знании законов движения автомобиля удовлетворительно точные ответы можно получить и расчетным путем. Для этого нужно иметь: внешнюю характеристику двигателя, данные о передаточных числах в трансмиссии, массе автомобиля и ее распределении, лобовой площади и, приблизительно, о форме автомобиля, размерах шин и внутреннем давлении в них. Зная эти параметры, мы сможем определить статьи расхода мощности и построить график так называемого баланса мощности.
Во-первых, наносим шкалу скорости движения, совмещая соответственные значения числа оборотов ne вала двигателя и скорости Va, для чего пользуемся специальной формулой.
Во-вторых, вычитая графически (отмеряя вниз по вертикали соответствующие отрезки) из кривой внешней характеристики потери мощности (0,lNe), получим другую кривую, показывающую мощность Nk, подводимую к колесам (КПД трансмиссии мы приняли равным 0,9).
Теперь можно построить кривые расхода мощности. Отложим от горизонтальной оси графика отрезки, соответствующие расходу мощности Nf на сопротивление качению. Подсчитываем их по уравнению:

Законы движения автомобиля 1978-03-7.jpg

Через полученные точки проводим кривую Nf. Откладываем вверх от нее отрезки, соответствующие расходу мощности Nw на сопротивление воздуха. Их величину подсчитываем, в свою очередь, по такому уравнению:

Законы движения автомобиля 1978-03-8.jpg

где F — лобовая площадь автомобиля в m 2 , К — коэффициент сопротивления воздуха.
Отметим, что багаж на крыше увеличивает сопротивление воздуха в 2 — 2,5 раза, прицепная дача — в 4 раза.
Отрезки между кривыми Nw и Nk характеризуют так называемую избыточную мощность, запас которой может быть использован на преодоление прочих сопротивлений. Точка пересечения этих кривых (крайняя справа) соответствует наибольшей скорости, которую способен развить автомобиль на горизонтальной дороге.
Изменяя коэффициенты или масштабы шкал скорости (в зависимости от передаточных чисел), можно построить графики баланса мощности для движения по дорогам с разными покрытиями и на разных передачах.
Далее, если отложим вверх от кривой Nw отрезки, соответствующие, например, мощности, которую нужно израсходовать на преодоление определенного подъема, то получим новую кривую и новую точку пересечения. Эта точка соответствует наибольшей скорости, с которой без разгона может быть взят данный подъем.

Законы движения автомобиля 1978-03-5.jpg

На подъеме растет нагрузка, приходящаяся на колеса. Пунктиром показана (в масштабе) ее величина при горизонтальной дороге, черными стрелками — при движении на подъем:
α — угол подъема;
Н — высота подъема;
S — длина подъема.

Тут нужно учитывать, что на подъемах к силам, противодействующим движению автомобиля, добавляется сила его тяжести. Чтобы автомобиль мог двигаться на подъем, угол которого обозначим буквой α («альфа»), тяговая сила должна быть не меньше сил сопротивления качению и подъему, вместе взятых.
Автомобилю «Жигули», например, на ровном асфальте приходится преодолевать сопротивление качению примерно 25 кгс, ГАЗ—53А — около 85 кгс. Значит, им для преодоления подъема на высшей передаче со скоростью соответственно 88 или 56 км/ч (то есть при наибольшем моменте двигателя), с учетом сил сопротивления воздуха около 35 и 70 кгс, остается сила тяги около 70 и 235 кгс. Разделим эти значения на величины полной массы автомобилей и получим уклоны 5 — 5,5 и 3 — 3,5%. На третьей передаче (тут скорость меньше, и сопротивлением воздуха можно пренебречь) наибольший угол преодолеваемого подъема составит около 12 и 7%, на второй — 20 и 15%, на первой — 33 и 33%.
Подсчитайте однажды и запомните значения подъемов, посильных вашему автомобилю! Кстати, если он снабжен тахометром, то запомните также число оборотов, соответствующее наибольшему моменту — оно записано в технической характеристике автомобиля.
Силы сцепления колес с дорогой на подъеме и на ровной дороге различны. На подъеме происходит разгрузка передних колес и дополнительное нагружение задних. Сила сцепления задних ведущих колес увеличивается, и их буксование становится менее вероятным. У машин с передними ведущими колесами сила сцепления при движении на подъем уменьшается, и вероятность их буксования выше.
Перед подъемом выгодно дать автомобилю разгон, накопить энергию, которая даст возможность взять подъем без существенного снижения скорости и, может быть, также без перехода на низшую передачу.

Законы движения автомобиля 1978-03-6.jpg

Влияние передаточного числа главной передачи на скорость и запас мощности

Следует подчеркнуть, что на динамику автомобиля оказывают большое влияние и передаточные числа трансмиссии, и количество передач в коробке. Из графика, на котором отложены кривые мощности двигателя (соответственно смещенные в зависимости от разных передаточных чисел главной передачи) и кривая сопротивлений, видно, что с изменением передаточного числа наибольшая скорость меняется лишь незначительно, зато запас мощности с его увеличением резко возрастает. Это, конечно, не значит, что передаточное число можно повышать до бесконечности. Чрезмерное его увеличение ведет к заметному снижению скорости автомобиля, (штриховая линия), износу двигателя и трансмиссии, перерасходу топлива.
Существуют более точные, чем описанные нами, методы расчета (динамическая характеристика, предложенная академиком Е. А. Чудаковым, и другие), но пользование ими — дело довольно сложное. Вместе с тем есть и вовсе простые приблизительные методы расчета.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *