Как найти силу тяги автобуса

Сила тяги, теория и онлайн калькуляторы

Сила тяги

Понятие сила тяги

Поясним эту мысль. Рассмотрим движение автобуса. Сила тяги (обозначим ее как ${overline{F}}_t$) в этом случае является силой трения покоя, которая действует на нижние точки колес со стороны поверхности шоссе. Для реализации движения автобуса по дороге колеса транспортного средства вращает двигатель так, чтобы сила трения была направлена в сторону перемещения (рис.1). В этом случае силу тяги определим как силу трения, которая возникает между ведущими колесами и поверхностью, по которой колеса катятся. Если сила трения отсутствует (колесо находится на льду), то автобус не двигается с места, так как колеса проскальзывают. Трение, которое появляется между колесами и поверхностью дороги создает поступательное перемещение.

Так как сила тяги зависит от силы трения, то для увеличения величины $F_t $ следует увеличить трение. Трение увеличивается при росте коэффициента трения и (или) с увеличением силы нормального давления, которое зависит от массы тела.

Возникает вопрос о необходимости введения некоей силы тяги вместо того, чтобы использовать привычную силу трения. При выделении из внешних сил, которые действуют на наш автобус силы тяги и силы сопротивления движению уравнения движения имеют универсальный вид, и, используя силу тяги, просто выражается полезная механическая мощность ($N$):

[N={overline{F}}_tcdot overline{v}left(1right),]

где $overline{v}$ — скорость движения тела (у нас автобуса).

Отметим, что у силы тяги нет четко определенной формулы, как, например, у гравитационной силы или силы Архимеда и других сил. Ее часто вычисляют, используя второй закон Ньютона и рассматривая все силы, которые действуют на тело.

Реактивная сила тяги

Уравнения движения тел переменной массы и формулу для вычисления реактивной силы получил первым И.В. Мещерский в 1897 г. Формула реактивной силы является основой для расчета силы тяги ракетных и турборакетных двигателей всех систем.

Пусть ракета перемещается со скоростью $overline{v}$ относительно Земли. Вместе с ней с такой же скоростью движется часть топлива, которая сгорает в ближайшую секунду. При сгорании продукты горения этой части топлива получают дополнительную скорость $overline{u}$ относительно ракеты. Относительно Земли они имеют скорость $overline{v}-overline{u}$. При этом сама ракета увеличивает скорость. После выброса продукты горения не взаимодействуют с ракетой. Поэтому систему ракета плюс продукты горения топлива рассматривают как систему из двух тел, которые взаимодействуют при горении по законам неупругого удара. Пусть реактивный двигатель ракеты каждую секунду выбрасывает массу $mu $ продуктов горения топлива. Используя закон сохранения импульса и второй закон Ньютона получают, что модуль реактивной силы тяги двигателя ($R$) ракеты равен:

[R=mu u left(2right).]

Формула (2) показывает, что реактивная сила, которая действует на тело переменной массы, пропорциональна массе отделяющихся частиц за единицу времени и скорости движения этих частиц относительно тела.

Примеры задач с решением

Читать дальше: скорость.

Что такое сила тяги

Сила тяги — сила, прикладываемая к телу для поддержания его в постоянном движении.

Действие силы тяги

Множество сил, действующих на движущийся объект, для упрощения вычислений делят на две группы: силу тяги и силы сопротивления.

Её прекращение

Когда действие силы тяги прекращается, движущееся тело замедляется и постепенно останавливается, так как на него воздействуют силы, мешающие продолжать двигаться, например, трение.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

1 закон Ньютона о действии

Согласно этому закону в формулировке самого Ньютона, любое тело остается в покое или равномерно движется по прямой, пока на него не воздействуют силы, заставляющие его изменить это состояние.

В современной физике в формулировку внесены уточнения:

• закон применим только в системах отсчета, называемых инерциальными;
• тело может вращаться на месте, не находясь под воздействием внешних сил, поэтому вместо термина «тело» следует использовать термин «материальная точка».

Чтобы переместить неподвижный предмет, на него должна воздействовать некая сила. Чтобы изменить скорость движения предмета, также необходимо воздействие силы, замедляющей его или ускоряющей. Так как предметы обладают разной массой и соответственно разной инертностью, силы, достаточные для эффективного воздействия, тоже будут различаться.

Состояние ускорения после воздействия силы тяги

Когда движение равномерное, сила тяги и сила трения совершают одинаковую работу, уравновешивая друг друга. Воздействие силы на тело в направлении движения придает ему ускорение. Если направить ту же силу в противоположном направлении, она замедлит движение тела, что можно назвать отрицательным ускорением.

Формулы для определения силы тяги

Согласно второму закону Ньютона, сумма сил, воздействующих на движущееся тело, равна массе (m), умноженной на ускорение (a). Универсальной формулы, подходящей для любого сочетания сил, не существует. Чаще всего силу тяги находят с помощью общей формулы( F_т-;F_{с}=m;times;a), где (F_т) — сила тяги, (F_{с}) — силы сопротивления.
При решении конкретной задачи силы, воздействующие на тело, схематически изображают в виде векторов. На схеме:

• сила тяжести mg;
• сила реакции опоры (N);
• сила трения( F_{тр});
• сила тяги (F). 

При нахождении тела на горизонтальной поверхности сила тяжести и сила реакции опоры уравновесят друг друга. Но если транспортное средство движется в гору или под гору, придется учесть влияние уклона. Тогда формула может выглядеть так: (F_т-;F_с-;mg;times;sinalpha=m;times;a.)

Работа A, которую должна совершить сила тяги, сдвигая тело, связана с ней соотношением (A;=;F;times;s). (s) здесь — расстояние, на которое тело переместилось.

Какое условие должно соблюдаться

Сила тяги всегда должна быть больше противодействующих ей сил.

Формула через мощность

Полезную механическую мощность (N) можно вычислить по формуле (N=F_т;times;v), где (v) — скорость. Для определения силы тяги нужно разделить мощность на скорость: (F_т;=;frac N v.)

Измерение и обозначение силы тяги

Силу тяги обозначают (F_т) или (F). Единица измерения — ньютон ((Н)).
Для решения задач недостаточно измерить усилие, приложенное к объекту, и выразить его конкретным числом, так как сила обладает еще и направлением. Чтобы подчеркнуть, что сила — векторная величина, к буквенному обозначению добавляют стрелку.

Как определить силу тяги двигателя. Примеры решения задач

Задача 1

Автомобиль может разгоняться до 216 км/ч. Максимальная мощность двигателя равна 96 кВт. Определите максимальную силу тяги двигателя.

Решение

Переведем киловатты в ватты, а километры в час — в метры в секунду:

(96;times;1000=96000;Вт)

(frac{216times1000}{3600}=60frac мс)

(F_т;=;frac N v = frac{96000}{60} = 1600 Н)

Задача 2

Троллейбус весом 12 тонн за 5 секунд проезжает по горизонтальной дороге 10 метров. Сила трения равна 2,4 кН. Определите силу тяги, которую развивает двигатель.

Решение

Переведем тонны в килограммы, а килоньютоны в ньютоны:

(12;times;1000=12000;кг)

(2,4;times;1000=2400;Н)

(F_т-;F_{тр}=m;times;a), следовательно, (F_т=mtimes a;+;F_{тр})

Чтобы определить ускорение а, воспользуемся формулой (s;=;frac{at^2}2)

Подставив численные значения величин, получаем:

(a;=;frac{2s}{t^2}^{}=frac{20}{25};=;0,8)

(F_т=;12000times0,8;+;2400;=;12000;Н;=;12;кН)

Задача 3

Транспорт, весящий 4 тонны, едет в гору. Уклон — 1 метр на каждые 25 метров пути. (mu) — 0,1 от силы тяжести, (а = 0). Определите силу тяги.

Решение

Начертим схему:

(mtimes g;+;N;+;F_{тр;}+;F_т;=;mtimes a)

Сделаем проекции на координатные оси:

(OX: -;mg;times;sinalpha;-;F_{тр;}+;F_т;=;0)

(OY: N;-;mg;times;cosalpha;=;0 => N;=;mg;times;cosalpha;)

(F_{тр};=;mu N;=;mu mg;times;cosalpha)

Подставим значение (F_{тр}) в уравнение (OX) и определим (F_т):

(-mg;times;sinalpha;-;mu)

(mg;times;cosalpha;+;F_т;=;0)

(=> F;=;mg;left(sinalpha;+;mu;times;cosalpharight))

Найдем синус и косинус (alpha), подставим их в общую формулу:

(sinalpha;=;frac hl;=;frac1{25})

(cosalpha;=;frac{sqrt{l^{2;}-;h^2}}l;)

(F;=;frac{4;times;10^{3;};times;9,8;timesleft(1;+;0,1;sqrt{l^{2;}-;h^2}right)}{25};=;5,5;times;10^3;Н;=;5,5;кН)

Силы, действующие на автобус в горизон-
тальном направлении: сила тяг F^, направленная впе-
ред, и сила трения Fтр, направленная назад. Поэтому
второй закон Ньютона в данном случае имеет вид
mа = F — Fjp.
Здесь а — проекция ускорения автобуса на направле-
ние движения. Учитывая, что сила трения Fтр = μN =
= μmg, где N — сила реакции опоры (дороги), а m —
масса автобуса, получаем из уравнения (1) формулу
для силы тяги
F = ma + μmg = m(a + μg). (2)
Вычисления:
F = 15 000 кг ∙ (0,7 м/с² + 0,03 ∙ 9,8 м/с²) я
≈ 14 910 Н ≈ 15 кН.
Ответ: F ≈ 15 кН.

Вопрос от пользователя

Автобус массой 10 т, отъезжая от остановки, за 2 с набирает скорость 18 км/ч. Определите силу тяги двигателя автобуса, если коэффициент сопротивления движению равен 0,02.

Ответ от эксперта

ответ к заданию по физике
 

Основное понятие силы тяги в физике

Она служит для обеспечения нахождения данного тела в состоянии равновесия.

Когда сила тяги прекращает свое действие — это может привести к следующим последствиям:

• остановка, которая связана с силой трения;
• состояние вязкости окружающей среды;
• множество других сопутствующих факторов и сил.

Для тела, на которое оказывает свое воздействие сила тяги, характерно постоянное движение. И обозначается следующим значение, а именно: [(v=operatorname{cons} t)]

Особым, частным случаем данного движения является состояние покоя.

При котором, скорость равна нулевому значению.

Чтобы тело поменяло свое состояние, и изменило скорость своего движения, необходимо приложить к нему силу тяги. При данных условиях скорость тела будет изменяться, причиной этого является получаемое ускорение. Также ускорение может быть отрицательным, в таком случае будет наблюдаться замедление скорости.

Показатель величины ускорения по закону физики обратно пропорционален массе тела.

Из состояния инерции труднее всего вывести тело более массивное и тяжелое.

Также величина ускорения прямо пропорциональна значению интенсивности силы, которая оказывает воздействие на тело.

Данное утверждение можно преобразовать и вывести в виде формулы:

Данная формула наглядно характеризует второй закон Ньютона.

Основные формулы для расчета силы тяги

Наглядно силу тяги можно рассмотреть на примере спортсмена штангиста.  

Именно на данном примере можно подробно понять, как приложенная сила, может вывести тело из состояния равновесия.

Распишем все операции, выполняемые спортсменам поэтапно:

1. первоначально штанга находится в состоянии инерции, иными словами имеет состояние покоя;
2. при отрыве от поверхности земли штанги, все мышцы спортсмена имеют способность сокращаться, с силой которая не превышает вес самой штанги (иначе это звучит как: величина силы с которой ее к себе притягивает гравитация Земли);
3. при отрыве от пола, штанги на определенную высоту, происходит процесс ускорения;

Силой тяги для снаряда, который осуществляет движение будет являться величина силы с которой сокращаются мышцы спортсмена.

Для данного случая, обязательно должно соблюдаться следующее условие:

[F_{M}>F_{T} text {. то есть } F_{M}>m times g]

Где:

•  [F_{m}] — сила, с которой происходит сокращение мышечной массы (сила тяги для данного случая);
• [F_{т}] сила тяжести или гравитационная;
•  m —  масса, которая оказывает воздействие на тело;
•  g — показатель ускорение свободного падения.

Характер движения тела по инерции всегда нужно уметь отличать от движения, которое совершается равномерно. Следовательно, в случае, когда сила тяги имеет способность уравновешиваться сторонними силами (противодействующими).

Например:

Автомобиль совершает движение и его двигатель находится в состоянии работы. Работающий двигатель придает силу на колеса, через трансмиссию, проделывая следующие операции:  

• преодолевает силу трения, которая возникает внутри всего механизма;
• сопротивление воздуха;
• процесс трения колес о любую поверхность.

Для определения силы тяги, необходимо знать следующие данные:

•  t — время, за которое происходит разгон транспортного средства;
• [v] — необходимая скорость;
• m — непосредственная масса автомобиля.

Сила определяется по формуле:

[F=m times frac{V}{t}]

Из формулы видно, что ускорение выражено как: деление скорости на время разгона транспортного средства:

[a=frac{V}{t}]

Через мощность можно выразить силу.

Если высокая мощность, то следует что, время за которое источник развивает силу будет уменьшаться.  А именно: способность разогнать тело определенной массы равной m до необходимой величины скорости движения.

Значение совершаемой работы прямо пропорционально силе и вычисляется по формуле:

[A=F times s]

Где: S — расстояние, на которое при помощи силы, перемещается тело;

Расстояние можно определить по формуле, выразив его через скорость тела и время движения:

[s=v cdot t]

Затем определяется мощность, которая должна выполнять в единицу времени и выражается следующей формулой:

[mathrm{N}=frac{d}{t}]

Окончательное уравнение выражает так:

[frac{A}{t}=frac{F cdot V cdot t}{t} Rightarrow N=F cdot V Rightarrow F=frac{N}{V}]

Пример решения задачи на определение силы тяги

Нужно определить показатель силы тяги транспортного средства. Оно движется с ускорением равным a. Масса автомобиля равна 1,5 тонны и сила трения составляет 10 процентов от всей силы тяжести.

Сила тяги будет определяться как сумма двух основных сил:

• Автомобиль, который разгоняется с заданным значением ускорения: [F_{1}=m cdot a]

Где: m — масса автомобиля, a —  показатель ускорения.

• Преодоление силы трения:

[F_{2}=mu cdot m cdot g]

Где: [mu] —  коэффициент, который характеризует силу трения, g  — значение ускорения свободного падения.

Все числовые известные значения подставим в формулу, и вычислим нужное нам значение силы. В процессе вычисления все единицы измерения переводятся в единицы системы СИ, а именно: килограммы.

[F=F_{1}+F_{2}=m cdot a+mu cdot m cdot g]

[mathrm{F}=1500 cdot 3+0.1 cdot 9.8 cdot 1500=1500 cdot(3+0.98)=5970]

Ответ: 5970.