bilim.techО проекте

Законы Ньютона

Почему груженый самосвал медленно разгоняется на подъеме? Силы, масса и второй закон Ньютона.

01 Что это такое

Сила не нужна, чтобы ехать. Сила нужна, чтобы менять скорость.

Кинематика из раздела 1 отвечала на вопрос «как тело движется». Динамика отвечает на вопрос «почему». Ньютон свел ответ к трем законам. Первый: если сумма всех сил на тело равна нулю, его скорость не меняется, тело стоит или едет равномерно по прямой. Второй: суммарная сила дает ускорение a = ΣF / m, и чем больше масса, тем меньше ускорение от той же силы. Третий: тела действуют друг на друга с равными и противоположными силами.

Посмотри на схему. Одна и та же сила F толкает две тележки, вторая вдвое тяжелее. За те же секунды она проходит вдвое меньший путь, потому что ее ускорение вдвое меньше. Справа свободное тело: все силы нарисованы стрелками на одном теле, и считается только их сумма.

01234Fмасса ma = F / m0234Fмасса 2ma = F / 2m, вдвое меньшеточки: где тележка через 0, 1, 2, 3, 4 сFFтрm gNСвободное теловсе силы, что действуют на телоΣF = F − Fтр, N и m g уравновешены
Слева: точки показывают, где тележка через каждую секунду. У тяжелой шаги вдвое короче. Справа: силы на теле. Вертикальные уравновешены, горизонтальные дают ускорение.
F
Сила, Н (ньютон). Мера действия одного тела на другое. 1 Н разгоняет 1 кг на 1 м/с за секунду. 1 кН = 1000 Н.
m
Масса, кг. Мера инертности: насколько тело «сопротивляется» изменению скорости. Груженый самосвал инертнее пустого вдвое.
a
Ускорение, м/с². То самое, что в теме 1.1. Теперь мы знаем его причину: a = ΣF / m.
02 Опыт
Нагружай. Давай тягу. Складывай силы. СИЛЫ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ
ДИНАМИКА

Хватит ли самосвалу тяги, чтобы выехать на подъем?

Рис. 3.1
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

ⓘ Уклон на рисунке настоящий, а самосвал условный. Стрелки вдоль дороги нарисованы в одном масштабе (отрезок «100 кН»), силы m g и N уменьшены в 10 раз, иначе они не поместятся. Сопротивление воздуха не учтено: на скоростях карьера оно мало.

03 Формулы по буквам

Сложи силы, раздели на массу

Вся динамика держится на одном действии: найти сумму сил вдоль направления движения и разделить ее на массу. Вторая формула показывает, как это делают для самосвала на уклоне, третья для клети на канате. Числа под формулами из опыта.

С каким ускорением поедет тело?

a = ΣF / m

Ускорение равно сумме всех сил, деленной на массу. Если сумма ноль, ускорения нет: тело стоит или едет равномерно, это первый закон. Направление ускорения совпадает с направлением суммарной силы.

a
ускорение, м/с², как в теме 1.1
ΣF
сумма сил с учетом знаков: вперед плюс, назад минус, Н
m
масса, кг. Переводи тонны: 220 т = 220 000 кг

Какая сила разгоняет самосвал на уклоне?

ΣF = Fт − m g sin α − f · m g cos α

Из силы тяги вычитаем скатывающую силу m g sin α (часть веса вдоль дороги) и сопротивление качению f · N, где N = m g cos α. На спуске sin α отрицательный, и скатывающая сила помогает ехать.

Fт
сила тяги на колесах (rimpull), Н. При мощности P: Fт = P / v
g
ускорение свободного падения, 9,81 м/с²
α
угол дороги. Уклон в процентах i = 100 · tg α, при малых углах sin α ≈ i / 100
f
коэффициент сопротивления качению: 0,02 хорошая дорога, 0,08 разбитая

Почему канат тянет сильнее, чем весит клеть?

T = m (g + a)
F12 = −F21

Чтобы клеть разгонялась вверх, канат должен не только держать ее вес m g, но и давать добавку m a. Пол клети так же давит на шахтера: весы под ним покажут больше обычного. Вторая строка: третий закон. Канат тянет клеть вверх с силой T, клеть тянет канат вниз с той же силой.

T
сила натяжения каната, Н. Для человека на полу то же самое: N = m (g + a)
a
ускорение клети, м/с²: вверх плюс, при торможении на подъеме минус
F12, F21
силы, с которыми два тела действуют друг на друга. Они приложены к разным телам и поэтому не гасят друг друга

Откуда берется формула для уклона

Нарисуй свободное тело: на самосвал действуют четыре силы. Сила тяжести m g вниз, реакция дороги N поперек дороги, сила тяги Fт вдоль дороги вперед и сопротивление качению назад. Ось x направь вдоль дороги, ось y поперек.

Сила тяжести направлена под углом к обеим осям, поэтому разложи ее на две части: вдоль дороги m g sin α (тянет назад, вниз по склону) и поперек дороги m g cos α (прижимает к дороге). Поперек дороги самосвал не движется, значит сумма проекций на y равна нулю: N = m g cos α. Сопротивление качению пропорционально прижатию: Fк = f · N = f · m g cos α.

Вдоль дороги складываем проекции: ΣF = Fт − m g sin α − f · m g cos α, и по второму закону a = ΣF / m. Сумму m g (sin α + f cos α) инженеры называют полным сопротивлением дороги, а sin α + f ≈ (i + 100 f) / 100 эквивалентным уклоном: 10% подъема плюс 3% качения работают как 13% уклона.

αm gm g sin αm g cos αNFтf · Nxy
Угол на рисунке увеличен, чтобы было видно разложение. Ось x идет вдоль дороги, ось y поперек.
04 Где и зачем это применяют

От тягового расчета до ремня безопасности

Допущения модели+

Самосвал считается точкой с массой m. Сила тяги равна P / v, а на малой скорости ограничена значением P / 2 м/с (трансмиссия, первая передача) и сцеплением колес с дорогой 0,3 · m g cos α. Переключение передач, гидротрансформатор, сопротивление воздуха и потери в шинах отдельно не учтены, поэтому настоящий разгон медленнее. Тормоз не дает больше 0,45 · m g cos α. Без тормоза машина в опыте честно катится назад, если тяги не хватает. Клеть движется по простому графику: разгон, равномерный ход, торможение с тем же по величине ускорением; масса каната не учтена. Числа в готовых случаях примерные, для машины класса 130 т грузоподъемности.

Еще в направлении «Механика»

Все темы направления «Механика» →