Hvordan kan en 5.000 pund lastbil trække 10.000 pund?

Vent, trodser det ikke fysik? Nix. Tim McCaig / iStockPhoto

Har du nogensinde set i forbløffelse, da en pickup trækker en enorm mængde mursten? Hvis du tænkte: "Wow, det trodser fysikkens love!" du ville tage fejl.

Tro det eller ej, fysiklovene (eller mere specifikt bevægelseslovene) tillader faktisk en lastbil på 5.000 pund (2.268 kg) at trække en belastning på 10.000 pund (4.536 kg). Det er en del af samspillet mellem den energi, der udøves af lastbilens motor, og tyngdekraften. Dette er dog ikke en lille bedrift; hvis du husker Newtons tredje lov om bevægelse, ved du, at fra det øjeblik din lastbil begynder at bevæge sig, er der kræfter, der er imod det hvert skridt på vejen.

Hvis du forstår kørselens fysik, forstår du bugseringens fysik. Der er faktisk en forholdsvis enkel måde at se på processen.

Der er tre tilstande, som din lastbil kan komme ind i, når det kommer til kørsel og bugsering: hvile, acceleration og konstant hastighed. Når din lastbils transmission er i park, og din lastbil er ubevægelig, betragtes den i hvile. Tyngdekraften skubber nedad mod midten af ​​jorden og det opadgående skub fra jorden (kaldet normal kraft) modsæt hinanden for at holde din lastbil i ro. Din lastbil forbliver sat - når alt kommer til alt en genstand i hvile har en tendens til at forblive i hvile.

Men du vil ikke hvile, du vil trække. Dette betyder, at du er nødt til at overvinde denne tendens til at hvile igennem anvendt kraft. Heldigvis for dig har din lastbil en motor, der kan producere energi, der fungerer som den anvendte kraft, der kræves for at få dig i bevægelse. Mens de modsatte normale og tyngdekræfter stadig er tilbage, for at fremskynde, bliver du nødt til at håndtere friktionskræfterne. I stedet for op og ned eksisterer disse kræfter parallelt med jorden og skubber i den modsatte retning af den måde, du vil bevæge dig på. Du kan ikke få en pause fysisk, kan du også?

Hos os indtil videre? Godt. Fortsæt med at læse for at lære mere om bugseringens fysik.

Tag det ind, fellas. Det er her drejningsmomentet produceres. Hill Street Studios / Getty Images

Der er to slags friktionskræfter, der arbejder imod dig, når du kører din lastbil. Statisk friktion er den friktion, dine dæk vil støde på, før de når bevægelsesgrænse. Når dine hjul begynder at bevæge sig, er bevægelsesgrænsen overskredet, og dine dæk skal nu håndtere kinetisk friktion -- eller i tilfælde af et hjul, rullende friktion. For at accelerere skal statisk friktion overvindes gennem påført kraft, men dette er ikke tilfældet med rullende friktion. I stedet er målet at accelerere, indtil den påførte kraft er lig med mængden af ​​rullende friktion, der påføres dækkene. Når mængden af ​​påført kraft svarer til mængden af ​​rullende friktion, har du nået punktet med konstant hastighed. Du kender måske det som krydstogtshastighed - det punkt, hvor du ikke fremskynder eller bremser, bare rejser lykkeligt sammen.

Alt dette fysikprat ville ikke udgøre meget, hvis det ikke var for den måde, din bil bruger anvendt kraft fra motoren til at drive din lastbil ned ad vejen. Det gør det ved at producere drejningsmoment, hvilket er energien, der roterer et hjul på sin akse. Den anvendte kraft oprettet af din motor distribueres til hjulene på din lastbil gennem gearkassen, der drejer drivakslen og fordeler drejningsmomentet til hjulene.

Drejningsmoment adskiller sig fra energien, det tager for at bevæge sig noget langs et vandret plan. Tænk på det sådan: Lad os sige, at du har et kvarter, der står på kanten, og at du agter at rulle ned ad gangen. Du kan skubbe på kanten med fingeren i en top-down bevægelse for at få den til at bevæge sig fremad eller en bottom-up bevægelse for at få den til at rulle bagud. Du har lige anvendt drejningsmoment. Prøv nu at flytte kvartalet fremad uden at rulle det. Arbejder det ikke så godt, gør det? Kvartalet glider bare langs overfladen, hvilket gør det vanskeligt at kontrollere - ikke en meget effektiv måde at bevæge sig på. Dette er den udfordring, der præsenteres for din lastbil, hver gang du kører: gå fremad uden at glide.

Det virker simpelt nok; du skubber gaspedalen, og motoren distribuerer drejningsmoment til drivakslen, der drejer akslen og til gengæld hjulene. Men hvis motoren producerer for meget drejningsmoment, overvinder dine dæk den rullende friktion, de møder fra vejen, og de glider unyttigt (og muligvis farligt). Det, du ønsker, er, at dit dæk aldrig forlader vejen.

Det lyder lidt mærkeligt, men når din lastbil kører ordentligt, forbliver bunden af ​​dækket - litterært hvor gummiet møder vejen - i ro. Hvad der udgør bunden af ​​dækkene, ændres, da alle punkter på slidbanen har mulighed for at fungere som bunden af ​​dækket, da det afslutter en fuld rotation. Det samme gør placeringen af ​​bunden af ​​dækket i forhold til vejen. Men hvad angår tyngdekraften og den normale kraft, er bunden af ​​dækket i ro, da det aldrig forlader vejen.

Så hvad pokker har alt dette at gøre med bugsering? Masser. Du kan se, hvad vi mener på næste side.

Så længe vægten er lige fordelt, skal denne lastbil være i stand til at trække mere end det dobbelte af sin egen vægt. Alexander Hafemann / iStockPhoto

-Alt, hvad du lige har lært om, hvordan fysik holder din lastbil glat, kan ekstrapoleres til bugsering.

Hvis du har firehjulstræk, er alle fire dæk forbundet til drivaksler og modtager således drejningsmoment for at flytte dem. Hvis du kun har baghjul eller forhjulstræk, skal du ikke frygte: Det drejningsmoment, der distribueres til dine drivhjul, får også de hjul, der er med til at køre i bevægelse. Da de er tilsluttet din lastbil, bevæger disse hjul sig, når drivhjulene begynder. Vægten skal fordeles jævnt over trucken, hvilket betyder, at hvert hjul - uanset om det er tilsluttet en drivaksel eller ikke - står over for en lige udfordring.

Da dine dæk er der, hvor gummiet møder vejen - eller nærmere bestemt punktet, hvor tyngdekraften, der trykker nedad på din lastbil, møder den normale kraft, der skubber opad mod den - er det her vægten fordeles. Hvis vægten fordeles jævnt, fordeles også den normale kraft, den støder på, jævnt, da normal kraft er proportional med din lastbils masse. Dette betyder, at den normale kraft, som hvert dæk støder på, er cirka en fjerdedel af din lastbils masse. Denne lige kraftfordeling fører til en lige stor mængde statisk og derefter kinetisk kraft, som hvert dæk støder på, når det bevæger sig fra sin hvileposition til acceleration og til sidst konstant hastighed. Så det drejningsmoment, der er nok til at bevæge et hjul, vil bevæge dem alle. Hvis vægten på din lastbil ikke er ligeligt fordelt, glider eller glider dæk, der understøtter mindre vægt, efterhånden som det drejningsmoment, de modtager, snarere end lig med den rullende friktion, den møder fra vejen.

Dette er lige så sandt med de fire dæk på din lastbil, som det er med to eller fire flere dæk, som du tilføjer, når du trækker en trailer. Det skyldes, at hvad angår fysiklovene, betragtes det, når din trailer er tilsluttet din lastbil, en enkelt enhed. Truckens masse og trailermassen deler en samlet masse. Dette betyder, at vægtfordelingen forbliver vigtig. Hvis de er fordelt korrekt, vil dækkene - uanset om der er fire, seks, otte eller 50 - stå over for samme friktion, når de krydser tærsklen og accelererer.

Så hvordan kan en 5.000 pund lastbil trække en 10.000 pund belastning? Det korte svar er, at det ikke kan, medmindre det har den rigtige slags hitch. Hvis du konsulterer din lastbils brugermanual, vil du se, at din lastbil har to trækkapaciteter - en for dødvægt og en for bugseret vægt. Du vil også bemærke, at grænsen for dødvægt er omtrent den samme vægt som din lastbil, mens den trækkede vægtkapacitet er anbragt tre gange højere. Årsagen er, at bugseret vægtkapacitet kræver en særlig fejlfinding, der - du gættede det - fordeler trailers vægt mellem trailervognens og lastbilens hjul.

-Den ekstra vægt af traileren kræver, at motoren på vogntoget arbejder hårdere for at producere mere drejningsmoment, end hvad der kræves, når vogntoget kører ubesværet. Men hvis vægten er ordentligt fordelt i både traileren og trailerkøretøjet, vil den statiske friktion for hvert dæk være ens. Uanset om det er en lastbil, der vejer 5.000 pund, der bevæger sig ned ad vejen, eller en der trækker en belastning på 10.000 pund, så længe motoren kan producere tilstrækkeligt drejningsmoment til at dreje drivhjulene uden at overvinde rullende friktion på vejen, vil alle andre hjul følge efter.

For mere information om bugsering og andre relaterede emner, se næste side.

Tak skal du have

Særlig tak til Dr. William Skocpol og Craig Freudenrich, Ph.D. for deres hjælp til denne artikel!

Relaterede artikler

• Sådan bugseres vægtfordelingssystemer
• Sådan fungerer tungetung
• 10 Bugseringstips
• Hvor dårligt er det, hvis jeg trækker mere end min lastbils trækkapacitet?
• At trække en trailer beskadiger mit køretøj?
• Hvordan Newtons bevægelseslove fungerer

Flere gode links

• Tips til sikkerhedstrækning og terminologi
• Boston University Physics
• Bugsering af vægtdefinitioner og -vurderinger

Kilder

• Skocpol, William, PhD. Professor i fysik, Boston University. Personlig korrespondance. 31. oktober 2008.
• Townsend, Ben. "Statisk og kinetisk friktion." University of Alaska, Fairbanks. Efterår 2002. http://ffden-2.phys.uaf.edu/211_fall2002.web.dir/Ben_Townsend/StaticandKineticFriction.htm