Hoe kan een vrachtwagen van 5.000 pond 10.000 pond trekken?

Wacht, tart dat de natuurkunde niet? Nee. Tim McCaig / iStockPhoto

Heb je ooit met verbazing gezien hoe een pick-uptruck een enorme lading stenen sleept? Als je dacht: "Wauw, dat tart de wetten van de fysica!" je zou het mis hebben.

Geloof het of niet, de wetten van de natuurkunde (of meer specifiek de bewegingswetten) staan ​​een vrachtwagen van 5.000 pond (2.268 kilogram) eigenlijk toe om een ​​lading van 10.000 pond (4.536 kg) te slepen. Het maakt deel uit van het samenspel tussen de energie die wordt uitgeoefend door de motor van de truck en de zwaartekracht. Dit is echter geen geringe prestatie; als je je de derde bewegingswet van Newton herinnert, weet je dat vanaf het moment dat je truck begint te rijden, er krachten zijn die hem bij elke stap tegenwerken.

Als u de fysica van autorijden begrijpt, begrijpt u de fysica van slepen. Er is eigenlijk een vrij eenvoudige manier om naar het proces te kijken.

Er zijn drie toestanden die uw truck kan invoeren als het gaat om rijden en slepen: rust, acceleratie en constante snelheid. Wanneer de transmissie van uw truck in de parkeerstand staat en uw truck stilstaat, wordt deze als stilstaand beschouwd. De zwaartekrachtsdruk naar beneden richting het midden van de aarde en de opwaartse druk van de aarde (genaamd normale kracht) tegenover elkaar staan ​​om uw vrachtwagen stil te houden. Uw vrachtwagen blijft staan ​​- een stilstaand object heeft immers de neiging om in rust te blijven.

Maar je wilt niet rusten, je wilt slepen. Dit betekent dat je deze neiging om uit te rusten moet overwinnen uitgeoefende kracht. Gelukkig voor u heeft uw truck een motor die energie kan produceren, die dient als de uitgeoefende kracht die nodig is om u in beweging te krijgen. Terwijl de tegengestelde normale en zwaartekracht nog steeds aanwezig zijn, zul je om te versnellen te maken krijgen met de wrijvingskrachten. In plaats van op en neer, bestaan ​​deze krachten parallel aan de grond en duwen ze in de tegenovergestelde richting van de manier waarop u wilt bewegen. Fysica kun je geen doorbraak halen, toch?

Bij ons tot nu toe? Goed. Blijf lezen om meer te weten te komen over de fysica van slepen.

Neem het in, jongens. Dit is waar het koppel wordt geproduceerd. Hill Street Studios / Getty Images

Er zijn twee soorten wrijvingskrachten die u tegenwerken terwijl u met uw truck rijdt. Statische wrijving is de wrijving die uw banden zullen tegenkomen voordat ze de drempel van beweging. Zodra uw wielen beginnen te bewegen, is de bewegingsdrempel overschreden en moeten uw banden ermee omgaan kinetische wrijving -- of in het geval van een wiel, rollende wrijving. Om te versnellen moet statische wrijving worden overwonnen door uitgeoefende kracht, maar dit is niet het geval met rolwrijving. In plaats daarvan is het doel om te versnellen totdat de uitgeoefende kracht gelijk is aan de hoeveelheid rolwrijving die op de banden wordt uitgeoefend. Zodra de hoeveelheid uitgeoefende kracht overeenkomt met de hoeveelheid rolwrijving, heb je het punt van constante snelheid bereikt. Je kent het misschien als kruissnelheid - dat punt waarop je niet versnelt of vertraagt, maar gewoon vrolijk reist.

Al dit gepraat over fysica zou niet veel opleveren als het niet was dat je auto de uitgeoefende kracht van de motor gebruikt om je truck over de weg te drijven. Het doet dit door te produceren koppel, dat is de energie die een wiel rond zijn as laat draaien. De uitgeoefende kracht die door uw motor wordt gecreëerd, wordt via de transmissie over de wielen van uw vrachtwagen verdeeld, die de aandrijfas draait en het koppel over de wielen verdeelt.

Koppel verschilt van de energie die nodig is om iets langs een horizontaal vlak te verplaatsen. Zie het als volgt: laten we zeggen dat je een kwart op de rand hebt staan ​​dat je door je gang wilt laten rollen. U kunt met uw vinger van boven naar beneden op de rand duwen om deze naar voren te laten bewegen of een beweging van onder naar boven om deze naar achteren te laten rollen. U hebt zojuist koppel toegepast. Probeer nu het kwartje naar voren te verplaatsen zonder het te rollen. Werkt niet zo goed, toch? Het kwartier glijdt gewoon over het oppervlak, waardoor het moeilijk te controleren is - geen erg efficiënte manier om te bewegen. Dit is de uitdaging die uw truck elke keer dat u rijdt voorlegt: vooruit rijden zonder te slippen.

Het lijkt eenvoudig genoeg; je drukt op het gaspedaal en de motor verdeelt het koppel naar de aandrijfas die de as laat draaien en, op zijn beurt, de wielen. Maar als de motor te veel koppel produceert, overwinnen uw banden de rolwrijving die ze van de weg tegenkomen en slippen ze nutteloos (en mogelijk gevaarlijk). Wat u wilt, is dat uw band nooit de weg verlaat.

Het klinkt een beetje raar, maar als je vrachtwagen goed rijdt, blijft de onderkant van de band - letterlijk waar het rubber de weg raakt - rustig. Wat de onderkant van de band vormt, verandert, aangezien alle punten op het loopvlak de mogelijkheid hebben om als onderkant van de band te dienen wanneer deze een volledige rotatie voltooit. Dat geldt ook voor de locatie van de onderkant van de band ten opzichte van de weg. Maar wat de zwaartekracht en de normaalkracht betreft, de onderkant van de band is in rust, omdat hij nooit van de weg komt.

Dus wat heeft dit allemaal te maken met slepen? Genoeg. U zult zien wat we bedoelen op de volgende pagina.

Zolang het gewicht gelijkmatig is verdeeld, moet deze truck meer dan twee keer zijn eigen gewicht kunnen trekken. Alexander Hafemann / iStockPhoto

-Alles wat u zojuist hebt geleerd over hoe fysica ervoor zorgt dat uw truck soepel blijft rijden, kan worden geëxtrapoleerd naar slepen.

Als je vierwielaandrijving hebt, zijn alle vier de banden verbonden met de aandrijfassen en krijgen ze dus koppel om ze te verplaatsen. Als je alleen achterwiel- of voorwielaandrijving hebt, vrees dan niet: het koppel dat over je aangedreven wielen wordt verdeeld, zorgt ervoor dat de wielen die meegaan voor de rit ook bewegen. Omdat ze zijn verbonden met uw truck, zullen deze wielen bewegen wanneer de aandrijfwielen beginnen te draaien. Het gewicht moet gelijkmatig over de truck worden verdeeld, wat betekent dat elk wiel - of het nu is verbonden met een aandrijfas of niet - voor een gelijke uitdaging staat.

Aangezien uw banden zijn waar het rubber de weg raakt - of, meer het punt, waar de zwaartekracht die naar beneden drukt op uw vrachtwagen de normale kracht die er tegenaan duwt, ontmoet - is dit waar het gewicht wordt verdeeld. Als het gewicht gelijkmatig is verdeeld, wordt de normaalkracht die het tegenkomt ook gelijkmatig verdeeld, aangezien de normaalkracht evenredig is met de massa van uw truck. Dit betekent dat de normaalkracht die elke band tegenkomt ongeveer een kwart van de massa van uw vrachtwagen is. Deze gelijkmatige krachtverdeling leidt tot een gelijke hoeveelheid statische en vervolgens kinetische kracht die elke band tegenkomt als hij van zijn rustpositie naar versnelling en uiteindelijk constante snelheid beweegt. Dus het koppel dat genoeg is om één wiel te bewegen, zal ze allemaal verplaatsen. Als het gewicht van uw truck niet gelijkmatig is verdeeld, zullen banden die minder gewicht dragen, slippen of glijden naarmate het koppel dat ze ontvangen, overwint in plaats van gelijk te zijn aan de rollende wrijving die het van de weg ontmoet.

Dit geldt zowel voor de vier banden op uw truck als voor de twee of vier extra banden die u toevoegt als u een aanhanger trekt. Dat komt omdat, voor zover het de natuurkundige wetten betreft, wanneer uw trailer aan uw vrachtwagen wordt gekoppeld, deze als een enkele eenheid wordt beschouwd. De massa van de truck en de massa van de trailer delen een gecombineerde massa. Hierdoor blijft de gewichtsverdeling belangrijk. Als het op de juiste manier is verdeeld, zullen de banden - of het nu vier, zes, acht of 50 zijn - allemaal evenveel wrijving ondervinden als ze de drempel overschrijden en versnellen.

Dus hoe kan een vrachtwagen van 5.000 pond een lading van 10.000 pond trekken? Het korte antwoord is dat het niet kan, tenzij het de juiste kink in de kabel heeft. Als u de gebruikershandleiding van uw truck raadpleegt, ziet u dat uw truck twee sleepcapaciteiten heeft: één voor eigen gewicht en één voor getrokken gewicht. U zult ook merken dat de limiet van het eigen gewicht ongeveer hetzelfde gewicht is als uw vrachtwagen, terwijl het maximaal getrokken gewicht drie keer zo hoog is. De reden is dat het draagvermogen van het getrokken gewicht een speciale koppeling vereist die - u raadt het al - het gewicht van de aanhanger verdeelt over de wielen van de aanhanger en de vrachtwagen..

-Het extra gewicht van de aanhangwagen vereist wel dat de motor van het touringcarvoertuig harder moet werken om meer koppel te produceren dan nodig is wanneer de touringcar onbezwaard rijdt. Maar als het gewicht goed verdeeld is over zowel de aanhanger als de touringcar, zal de statische wrijving voor elke band gelijk zijn. Dus of het nu een vrachtwagen is met een gewicht van 5.000 pond die over de weg rijdt, of een die een lading van 10.000 pond sleept, zolang de motor genoeg koppel kan produceren om de aandrijfwielen te laten draaien zonder de rollende wrijving op de weg te overwinnen, alle andere wielen zullen dat wel doen. volgen.

Bezoek de volgende pagina voor meer informatie over slepen en andere gerelateerde onderwerpen.

Dank u

Met speciale dank aan Dr. William Skocpol en Craig Freudenrich, Ph.D. voor hun hulp bij dit artikel!

Gerelateerde artikelen

• Hoe sleepgewichtverdeelsystemen werken
• Hoe tonggewicht werkt
• 10 sleeptips
• Hoe erg is het als ik meer sleep dan het trekvermogen van mijn truck?
• Zal het trekken van een aanhanger mijn auto beschadigen?
• Hoe de bewegingswetten van Newton werken

Meer geweldige links

• Tips en terminologie voor het slepen van veiligheid
• Boston University Physics
• Definities en beoordelingen van het trekgewicht

Bronnen

• Skocpol, William, PhD. Hoogleraar natuurkunde, Boston University. Persoonlijke correspondentie. 31 oktober 2008.
• Townsend, Ben. "Statische en kinetische wrijving." Universiteit van Alaska, Fairbanks. Herfst 2002. http://ffden-2.phys.uaf.edu/211_fall2002.web.dir/Ben_Townsend/StaticandKineticFriction.htm