Физик Юля в высшим образованием. Как сила трения движет её автомобиль

Петр Иванович Дубровский, добросовестный инженер – исследователь, честный и непредвзятый частный научный детектив d-pi@yandex.ru

Нарисовал я как-то, особо не думая, не напрягая мозг, вот такой вот рисунок - по памяти, аналогично неоднократно виденному мной в различных умных автомобильных книжках и в Интернете.

Это значит, что я тоже подвержен стереотипам - признаю этот факт. Я тоже человек. А стереотипизация - это леность мозга. Кому интересно, можете поискать на этом канале статьи про стереотипы.

И был тут же обруган физиком с высшим образованием Юлией, цитирую: Юлия 6 месяцев

Начнем с неправильности рисунка. Сила трения - _это и есть движущая сила_ и направлена она в противоположную сторону.

Машина движется вперед за счет взаимодействия вращающегося колеса с дорогой. В моих комментариях уже упоминалось, что на льду машина никуда не поедет, но автор, вместо того чтобы задуматься, начал сразу цепи на колеса надевать.

Разумеется, после этих слов мне пришлось включать свои мозги и рисовать свою собственную правильную схему - ведь я, в конце концов инженер, а не какой-то никчемный безмозглый физик с верхним физическим образованием, который пудрит своей безмозглостью мозги детишкам в школе или в вузе.

Я некоторое время думал, включать ли этот отрывок про движение автомобилей в книгу, которую сейчас пишу - и понял, что включать - надо. Особенно после того, как вновь перечитал предисловие Я.И. Перельмана к его книге "Знаете ли Вы физику?", цитирую:

В итоге физику плохо знают не только те, кто не проходил её систематически, но зачастую и те, кто обучался ей в школе. Элементы физической науки, фундамент естествознания и техники, оказываются заложенными довольно шатко. Сила рутины здесь так велика, что некоторые физические предрассудки и заблуждения случалось обнаруживать даже у специалистов-физиков, не исключая и весьма крупных.

Сперва объяснюсь, почему я нарисовал неправильную схему. По той простой причине, что ни в одной из умных книжек по автоделу или просто по физике мне не довелось увидеть схему без каких-либо ошибок. Вот смотрим:

Тут ошибок нет, но не указана движущая сила

Неправильно указано приложение сил сопротивления качению P_f и введена непонятная для нормальной физики "сила инерции" P_j

Неправильно выбрано приложение силы сопротивления качению

Неправильно выбраны точки приложения силы тяги и сил сопротивления качению

Оказалось, что один из этих рисунков - это даже университетский, прямо из Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (СПбГАСУ), с автомобильно-дорожного факультета, правопреемника Ленинградского автодорожного института. То есть, если уж и университеты так косячат, то и мне не зазорно.

Но все равно нужна правильная схема. Итак, что мы на самом деле имеем в случае с автомобилем, который едет по ровной дороге (с сопротивлением уклона все ясно и понятно, с этим никто не накосячил, поэтому слегка упростим себе задачу. Вес автомобиля и реакцию опор тоже рассматривать не будем, так как с этим на горизонтальной дороге тоже все боле-менее ясно-понятно):

Если мы рассматриваем переднеприводный автомобиль, то на него оказывается аэродинамическое давление (голубой цвет на картинке), двигатель создаёт на ведущих колёсах крутящий момент (красный цвет) и подшипники задних колёс , а также подшипники передних и часть трансмиссии от двигателя до ведущих колёс создают силы сопротивления качению (жёлтый), которые, по сути, являются слегка специфическими силами трения.

И, если следовать элементарным правилам теоретической механики, превращая давление и крутящие моменты в силы, то итоговая картинка приложения сил должны выглядеть вот так:

То есть - и движущая сила, и силы трения в подшипниках и трансмиссии (силы сопротивления качению) должны быть приложены К ОСЯМ ВРАЩЕНИЯ КОЛЁС, и никак иначе.

Есть возражения? Тогда сперва докажите мне, что хотя бы знаете, что такое теоретическая механика или сопромат (в сопромате тоже есть много задач с давлением и крутящим моментом).

Поэтому я решил, что следует более подробно расписать преобразование крутящего момента в ПАРУ СИЛ, когда свободно вращающееся колесо соприкасается с асфальтом или другим дорожным покрытием.

Мне попался неплохой рисунок заднеприводного автомобиля:

Хотя, честно говоря, я абсолютно не понял, что значит "тяговая сила" на этом рисунке? Это очередная глупость. "Толкающая" сила, как я понял - это и есть движущая сила, которая создаётся двигателем, посредством преобразования крутящего момента в силу - она действительно изначально возникает на оси колеса и через подвеску (на этом рисунке показана довольно древняя рессора) всей массе автомобиля.

Поэтому рисунок пришлось дорабатывать.

Процитирую черновик главы из своей книги:

Причем, судя по контурам автомобиля (см на бамперы) и по наличию в самом легковом автомобиле нечто похожему на рессоры, куда передаётся движущая сила от задней оси, это довольно старый рисунок. «Движущая сила» Px, создаваемая крутящим моментом Mк, совершенно правильно приложена к оси колеса. Ось колеса посредством рессор прикреплена к раме (кузову) автомобиля – соответственно, движущая сила Px передаётся на раму (кузов) через рессоры. Схема, как кажется, нарисована совершенно правильно. Но давайте внимательно прочитаем подписи под рисунком: движущие силы автомобиля: Px – толкающая сила, Pт – тяговая сила. Не понял, что имел в виду автор? Он хочет сказать, что автомобиль двигают вперед сразу две силы – и «толкающая», и «тяговая»? С «толкающей» силой вроде бы как всё правильно. А что с «тяговой»? И эта «тяговая сила» приложена к месту соприкосновения шины и дорожного покрытия?

«И такая дребедень – целый день, целый день…». Создаётся впечатление, что у некоторых авторов умных книжек, которые решили заняться просвещением народонаселения, совсем отсутствуют мозги. Кое-кто сейчас подумал: «И чего автор (то есть я) он прицепился к этим рисункам? Ну, ошибся человек, и что? Чего панику разводить?»

Интересно, а кто-нибудь вспомнил то, что я цитировал в ПРЕДИСЛОВИИ №2 своей книги? Или, как обычно, все читается строго по диагонали, без включения мозга, типа, «я и без вас сам всё это знаю». Я процитирую еще раз:

Научно-познавательные иллюстрации служат средством постижения окружающего мира, поэтому от них требуется безукоризненная точность…

На самом деле в точке соприкосновения шины с дорогой возникает пара сил, смотрим правильную схему:

Двигатель автомобиля создаёт крутящий момент, который посредством трансмиссии передаётся на ведущие колёса. Если колесо висит в воздухе, то ничего не происходит – двигатель попросту крутит колёса, но движущая сила для автомобиля не создаётся.

В момент, когда колесо соприкасается с дорожным покрытием, в месте контакта возникает сила трения Pтр, которая препятствует свободному вращению колеса. Соответственно, крутящий момент можно представить в виде пары сил, как этому учат на занятиях по теоретической механике Px1 и Px2. В нормальном варианте, когда сцепление шины с дорогой хорошее, надёжное, то есть когда Px1 не превышает максимально возможный Pтр, крутящий момент используется «на все сто». И в этом случае все три силы – Px1 и Px2 и Pтр равны по величине.

Соответственно Px1 и Pтр уравновешивают друг друга и остаётся неуравновешенной только сила Px2, которая, будучи переданной от оси вращения колёс, через рессоры на раму (кузов) автомобиля, и трансформируется в движущую силу Pдв .

Когда же сцепление колеса с дорогой плохое, сила Pтр существенно уменьшается то мы наблюдаем эффект проскальзывания. При этом сила Px2, опять же, в полном соответствии с основами теоретической механики, уменьшается до величины силы трения. Соответственно, до этой же величины уменьшается и сама движущая сила Pдв. «Избыток» крутящего момента в данном случае расходуется на бесполезное вращение колес.

То, что я сейчас рассказал – это азы теоретической механики – одного из базовых разделов физики. И во всем этом нет абсолютно ничего сложного – полагаю, это доступно для понимания даже семиклассникам. Но почему же авторы «умных книжек» лепят такую чушь и дичь в своих детищах, в своих опусах?

Что я хочу донести до читателей: правильная схема приложения действующих на автомобиль сил должна быть известна всем и каждому уже давно, с момента зарождения теоретической механики. Но остолопы (в конкретном случае предыдущей главы – и я в том числе, нарисовавший было стереотипную схемку "по памяти") продолжают писать, рисовать и даже тиражировать в своих умных книжках глупости. Меня, правда, оправдывает то, что я не являюсь профильным специалистом автомобилестроения. Я чисто подсознательно, используя леность мозга – зрительную память и стереотипы, тупо, не задумываясь, воспроизвёл ту схему, которую неоднократно видел раньше. А что насчёт специалистов? А что насчёт теоретиков?

Некоторые теоретики (взрослые дяди и тёти) с пеной у рта начинали доказывать мне, что возникающая между шиной и дорогой сила трения и является самой настоящей движущей силой. А некоторые другие теоретики рисовали движущую автомобиль силу в направлении, противоположном направлению движения. Могу привести множество примеров этого. Ну, с таким же успехом и те, и другие могли бы начинать доказывать мне, что Земля – она на самом деле плоская.

Еще раз повторю. Да, для движения автомобиля сила трения необходима – и движущая сила, в полном соответствии с законами РЕАЛЬНОЙ физики, не может быть больше, чем эта сила трения. Но двигает автомобиль движущая сила, результат крутящего момента, создаваемого двигателем и силы трения* между колесом и дорожным покрытием.

Многим может показаться, что я, объясняя такие прописные истины, понятные для многих, занимаюсь ерундой. Графоманией. «Зачем это надо? Исправлять чьи-то глупые ошибки,» – говорят многие. – «Умные сами разберутся, что правильно, а что – нет». Но, пообщавшись в Интернете на различных физических форумах и других площадках со многими людьми, я убедился в том, что зачастую многие, вроде бы не совсем глупые люди имеют излишне превратные представления о физических законах и процессах**. И, что самое плохое, пытаются навязать свои извращённые представления подрастающему поколению.

Привет Юлии!