Практическое занятие № 2

Автор: Петр Иванович Дубровский, добросовестный инженер — исследователь, честный и непредвзятый частный научный детектив. e-mail: d-pi@yandex.ru

ВЕДЕНИЕ

Как я уже писал в своей статье «Практическое занятие № 1», торможение может быть активным и пассивным. Активное — это когда водитель нажимает на педаль тормоза, разогревая и стирая не дешёвые тормозные диски и колодки. Пассивное торможение — это когда торможение автомобиля происходит за счёт «естественных» сил сопротивления движению:

— сил трения — в двигателе и трансмиссии автомобиля, включая трение в подшипниках в ступицах колёс и трение качения колёс по дороге (F_f);

— силы сопротивления уклона (F_i), которая может не только затормаживать, но и разгонять автомобиль. Недавно я отдыхал на острове Кефалония, и повёз жену на прокатной машинёнке в Национальный парк Энос, находящийся на высоте около 1500 метров над уровнем моря. Вершина горы Энос — 1630 метров, но дотуда, до вершины, мы не добрались. А, погуляв в парке среди сосен по грунтовой дороге и тропинкам, мы решили заехать в монастырь святого Герасима и в расположенную рядом с монастырём винодельню «Kefalonian Robola Wine Cooperative». Так за всю обратную дорогу, а там примерно 20 километров спуска, около 40 минут езды, я ни разу не нажал педаль «газа», но вот тормозить приходилось части и активно — автомобильчик разгонялся до 50…60 км в час, что не очень приятно на довольно узком горном серпантине, когда не видно, что делается за следующим поворотом;

— сила сопротивления воздуха (Fw), которая, впрочем, при скоростях до 60 км/час настолько мала, что её можно не учитывать в расчётах движения автомобиля.

Как я уже писал, пассивное торможение (как и активное, когда Вы нажимаете на педаль тормоза), если у Вас автомобиль «с ручкой», то есть с механической коробкой переключения передач, а не велосипед с двумя педалями — «тормозом» и «газом», может быть в двух вариантах:

1. с размыканием сцепления

2. без размыкания сцепления.

Когда мы сбросили газ, мы можем выжать сцепление, разъединив колёса с двигателем, и трение, препятствующее движению, будет возникать лишь в подшипниках ступиц, трансмиссии и коробке переключения передач (КПП) … а можем не выжимать, и тогда колёса вдобавок заставят вращаться коленвал и двигать сами поршни внутри цилиндров — то есть сопротивление движению явно увеличится. Конечно, и автоматическую КПП можно поставить «на нейтралку» при торможении, но тогда теряется вся прелесть АКПП.

ЗАНЯТИЕ

Занятие будет довольно коротким, так как я понял, что часто большой объём новой информации плохо усваивается читателями и учащимися.

На этом практическом занятии я предлагаю определить величину сил трения, действующих на автомобиль в качестве сил сопротивления движению. Для этого надо выбрать ровный, горизонтальный участок дороги, чтобы исключить силу сопротивления уклона (F_i), и не превышать скорость в 60 км/час, чтобы практически исключить силу сопротивления воздуха (F_w).

Как можно получить нужные для дальнейших расчётов данные, я рассказал и показал в статье «Практическое занятие № 1».

Маленькая проблема в том, что нам при решении лучше использовать метры и секунды, а не километры и часы. Поэтому переведём данные таблицы из статьи «Практическое занятие № 1» в метры и секунды и на основании этой таблицы построим график.

Вот «улучшенная таблица»:

«Улучшенная» таблица пассивного торможения автомобиля, полученная по показаниям авторегистратора.

Уравнение скорости движения при торможении определяется формулой

V = V₀ — a t

где = V₀ — начальная скорость автомобиля, скорость с которой началось замедление, метров в секунду, a — это замедление (отрицательное ускорение: -)), метров в секунду за секунду, а t — время, секунд.

Поэтому попросим Excel построить линейные тренды графиков и указать их уравнения.

Графики пассивного торможения автомобиля массой 1,5 тонны — с размыканием сцепления (красные) и без размыкания сцепления (синий)

Таким образом мы получили уравнения замедления скорости автомобиля при движении по инерции (я немного подкорректирую начальную скорость и величину замедления):

для пассивного торможения с размыканием сцепления:

V₁ = V₀ — a₁ t = 18,0 — 0,22t

для пассивного торможения без размыкания сцепления:

V₂ = V₀ — a₂ t = 18,0 — 0,40t

Масса загруженного автомобиля, на котором проводился эксперимент, включая биологическую прокладку между водительским сидением и рулём — 1500 кг. Также из следствия второго закона Ньютона мы знаем, что F = ma. Поэтому мы можем определить силу торможения для обоих случаев.

F₁ = ma₁ = 1500×0,22 = 330 Н

F₂ = ma₂ = 1500×0,40 = 600 Н

То есть, если бы у рассматриваемого автомобиля не было двигателя, то для поддержания любой скорости до 60 км/час ему вполне бы хватило тягового усилия в 330 Ньютонов. А если убрать трансмиссию, то, вероятно, и 280.300 Ньютонов. А если убрать КПП, то, возможно, и все 200 Ньютонов. В качестве тягового двигателя можно использовать и реактивный ракетный двигатель, а можно — электрические мотор-колёса, встроенные вместо ступиц.

Для поддержания такой же скорости с работающим двигателем внутреннего сгорания необходимо создавать движущую силу, которая трансформируется из вращательного момента ДВС в размере 600 Ньютонов, то есть почти вдвое большую. Часть этой «прибавки» тратится на шестерёнки и подшипники в сцеплении, а большую часть «съедает» сам двигатель.

Есть над чем призадуматься, n’est pas?

То есть практически половина топлива (энергии) при движении автомобиля «бесполезно» расходуется на преодоление трения и изменение направления движения поршней в цилиндрах, сжатие и разряжение газов в цилиндрах. И подобная ситуация — у всех сотен миллионов дизельных, бензиновых, спиртовых, как частично в Бразилии и газовых, как частично в Российской Федерации автомобилей. А тут, понимаешь, «парниковый эффект». Грете Тунберг тоже есть над чем призадуматься? Она, может быть, и призадумалась бы, если бы она получила хотя бы элементарное среднее образование. Если бы она не прогуливала школу. Ну и, разумеется, если бы её обучали адекватные учителя по физике — ну, хотя бы такие, как я.

Хотя «парниковый эффект» — это, возможно, не так уж и плохо. Атмосфера Земли спасает всё живое, обитающее на поверхности Земли, именно тем, что укрывает всё живущее своим воздушным океаном, отделяя нас от космического вакуума, защищая от вредной солнечной радиации и вдобавок не давая моментально остыть не освещенной Солнцем теневой стороне Земли до крайне низких температур, при которых многие биологические организмы просто погибнут.

А то, что температура на поверхности Земли вследствие увеличения концентрации в атмосфере СО₂ кое-где увеличивается, так оба эти фактора способствуют ускорению роста лесов и трав, в том числе тех культур, которые используются человечеством для пропитания.

А практические занятия по физике я продолжу.

У меня есть еще что рассказать про автомобили, о чём многие думают, что знают, часто слышали, но на самом деле их представления часто ошибочны.

Так что — подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.