Физика · Механика · 7 класс

Торможение автомобиля

Почему на мокрой дороге обязательно снижать скорость?

Ситуация

Вы едете по городской улице. Внезапно впереди на пешеходный переход выходит манекен. Пока водитель заметит опасность и нажмёт на тормоз, машина всё ещё продолжает ехать. Что спасёт жизнь: дорожное покрытие, скорость или внимательность?

Тема

Сила трения. Торможение автомобиля: сухая, мокрая и ледяная дорога

Ключевые понятия

Сила трения
II закон Ньютона
Равнозамедленное движение

Формулы

s_{r} = v_{0} t_{r}

Путь реакции: пока водитель не нажал на тормоз, машина движется равномерно со скоростью $v_{0}$ .

F_{т р} = μ m g \Rightarrow a = \frac{F_{т р}}{m} = μ g

Второй закон Ньютона: замедление не зависит от массы.

s_{t} = \frac{v_{0}^{2}}{2 μ g}, S = v_{0} t_{r} + \frac{v_{0}^{2}}{2 μ g}

Тормозной путь пропорционален квадрату скорости; $S$ — полный остановочный путь.

v_{z} = \sqrt{v_{0}^{2} - 2 μ g (D - s_{r})}

Если машина не успевает остановиться на расстоянии $D$ — скорость удара.

F_{t} \leq μ_{0} N, F_{s} = μ N, F_{d} = μ_{d} N, μ_{d} ≪ μ < μ_{0}

Трение покоя, скольжения и качения. В лабораторном опыте при равномерном движении $μ = F / N$ .

Теория

Два этапа

Остановка состоит из двух частей. Во время реакции ( $t_{r}$ ) водитель замечает опасность и переносит ногу на тормоз — машина пока не замедляется. Затем идёт торможение: сила трения между колесом и дорогой останавливает машину.

Почему масса не важна?

У тяжёлой машины и сила трения больше: $F = μ m g$ . Но и остановить её настолько же труднее: $a = F / m = μ g$ . В итоге в идеальном случае лёгкая и тяжёлая машины останавливаются на одном и том же расстоянии. В жизни грузовики тормозят дольше — их тормоза перегреваются, а шины другие.

Квадрат скорости

Тормозной путь пропорционален $v_{0}^{2}$ : если скорость возрастает в 2 раза, тормозной путь увеличивается в 4 раза. При переходе от 60 км/ч к 90 км/ч тормозной путь возрастает в 2,25 раза.

Что делает ABS?

Заблокированное колесо скользит по дороге, и действует трение скольжения. ABS не даёт колесу блокироваться и удерживает шину на пределе скольжения — коэффициент трения покоя больше, и управляемость машины сохраняется.

Виды трения: лабораторная работа

Трение возникает из-за шероховатости поверхностей и взаимного притяжения молекул в местах соприкосновения. Трение покоя равно силе тяги и направлено против неё: в режиме «Измерение трения» показание динамометра растёт, а санки стоят на месте. Когда сила достигает $μ_{0} N$ , санки трогаются с места, и начинает действовать трение скольжения $μ N$ — пик и ровный участок на графике $F (t)$ . При равномерном движении $F_{д и н} = F_{т р}$ , следовательно, $μ = F / N$ ; если класть на санки диски и изменять $N$ , то $F (N)$ — прямая, проходящая через начало координат. $μ$ зависит от материала и шероховатости поверхностей и почти не зависит от площади соприкосновения. При качении колеса $μ_{k} \approx 0,01$ – $0,02$ — в десятки раз меньше, чем при скольжении: поэтому и нужны колесо и подшипник. В технике трение бывает и другом (тормоз, протектор шины, песок, посыпанный зимой на дорогу), и врагом (износ, нагрев). Вязкое трение в жидкости зависит от скорости — см. эксперимент «Вязкость и течение».

Законы Ньютона на дороге

Основная задача динамики — зная силы, действующие на тело, найти его движение (или по движению найти силу). Здесь из силы трения находим $a = μ g$ , а из неё — тормозной путь. На машину действует несколько сил: сила тяжести $m g$ , реакция опоры дороги $N$ (в вертикальном направлении $N = m g$ ), трение и сопротивление воздуха. I закон (инерция): во время реакции водитель поддерживает скорость — равнодействующая равна нулю, машина движется равномерно. Система отсчёта, связанная с Землёй, приблизительно инерциальна; а тормозящая машина — неинерциальна: непристёгнутый пассажир по инерции продолжает двигаться вперёд, и ему в машине кажется, будто на него действует направленная вперёд $- m \vec{a}$ сила инерции. II закон: $a = F / m$ ; если в машине сидят пассажиры, массы складываются (масса аддитивна), но $a = μ g$ не меняется. III закон: шина толкает дорогу вперёд, дорога шину — назад с такой же силой; с какой силой санки тянут динамометр, с такой же силой и динамометр тянет санки.

Знаете ли вы?

Удар на скорости 50 км/ч равносилен падению с высоты $h = v^{2} / 2 g \approx 9,8$ м — примерно с крыши трёхэтажного дома.
На мокром асфальте коэффициент трения в 1,5–2 раза меньше, чем на сухом, а на льду может быть меньше в 10 раз.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Физические величины и измерения — 7 класс
Метро: от станции до станции — 7 класс
Масса и плотность — 7 класс
Давление твёрдого тела — 7 класс
Атмосферное давление — 7 класс
Законы Ньютона — 7 класс
Американские горки — 7 класс
История физики: Беруни, Улугбек — 7 класс
Векторы и относительность движения — 7 класс
Движение по окружности: велосипед — 7 класс