Hai mai osservato con stupore un camioncino che traina un enorme carico di mattoni? Se pensassi:"Wow, questo sfida le leggi della fisica!" ti sbaglieresti.
Che ci crediate o no, le leggi della fisica (o più specificamente, le leggi del movimento) consentono effettivamente a un camion di 5.000 libbre (2.268 chilogrammi) di trainare un carico di 10.000 libbre (4.536 kg). Fa parte dell'interazione tra l'energia esercitata dal motore del camion e le forze di gravità. Questa non è un'impresa da poco, tuttavia; se ricordi la Terza Legge del Moto di Newton, sai che dal momento in cui il tuo camion inizia a muoversi, ci sono forze che gli si oppongono ad ogni passo.
Se capisci la fisica della guida, capisci la fisica del rimorchio. In realtà c'è un modo abbastanza semplice per esaminare il processo.
Ci sono tre stati in cui il tuo camion può entrare quando si tratta di guida e traino:riposo, accelerazione e velocità costante. Quando la trasmissione del tuo camion è parcheggiata e il tuo camion è immobile, è considerato fermo. La spinta gravitazionale verso il basso verso il centro della terra e la spinta verso l'alto dalla terra (chiamata forza normale ) opposti l'uno all'altro per mantenere fermo il tuo camion. Il tuo camion rimarrà fermo:dopotutto, un oggetto fermo tende a rimanere fermo.
Ma tu non vuoi riposare, vuoi rimorchiare. Ciò significa che devi superare questa tendenza a riposare attraverso la forza applicata . Fortunatamente per te, il tuo camion ha un motore in grado di produrre energia, che funge da forza applicata necessaria per farti muovere. Mentre le forze normali e gravitazionali opposte rimangono ancora, per accelerare dovrai fare i conti con le forze di attrito. Piuttosto che su e giù, queste forze esistono parallele al suolo e spingono nella direzione opposta al modo in cui vuoi muoverti. Non puoi prenderti una pausa dal punto di vista della fisica, vero?
Con noi finora? Buono. Continua a leggere per saperne di più sulla fisica del traino.
Ci sono due tipi di forze di attrito che agiscono contro di te mentre guidi il tuo camion. Attrito statico è l'attrito che i tuoi pneumatici incontreranno prima che raggiungano la soglia di movimento . Una volta che le ruote iniziano a muoversi, la soglia di movimento è stata superata e le tue gomme devono ora fare i conti con l'attrito cinetico -- o nel caso di una ruota, attrito volvente . Per accelerare, l'attrito statico deve essere superato attraverso la forza applicata, ma questo non è il caso dell'attrito volvente. Invece, l'obiettivo è accelerare fino a quando la forza applicata non eguaglia la quantità di attrito volvente applicato ai pneumatici. Una volta che la quantità di forza applicata corrisponde alla quantità di attrito volvente, hai raggiunto il punto di velocità costante. Potresti conoscerla come velocità di crociera, quel punto in cui non stai accelerando o rallentando, ma stai solo viaggiando felicemente.
Tutto questo discorso di fisica non sarebbe molto se non fosse per il modo in cui la tua auto usa la forza applicata dal motore per spingere il tuo camion lungo la strada. Lo fa producendo coppia , che è l'energia che fa ruotare una ruota sul proprio asse. La forza applicata creata dal tuo motore viene distribuita alle ruote del tuo camion attraverso la trasmissione, che fa girare l'albero di trasmissione e distribuisce la coppia alle ruote.
La coppia è diversa dall'energia necessaria per spostare qualcosa lungo un piano orizzontale. Pensala in questo modo:diciamo che hai un quarto di dollaro in piedi sul bordo che intendi rotolare lungo il tuo corridoio. Puoi spingere il bordo con il dito con un movimento dall'alto verso il basso per farlo muovere in avanti o un movimento dal basso verso l'alto per farlo rotolare all'indietro. Hai appena applicato la coppia. Ora prova a spostare il quarto in avanti senza farlo rotolare. Non funziona molto bene, vero? Il quarto scivola semplicemente lungo la superficie, il che rende difficile il controllo, non è un modo molto efficiente di muoversi. Questa è la sfida che si presenta al tuo camion ogni volta che guidi:andare avanti senza sbandare.
Sembra abbastanza semplice; si preme il pedale dell'acceleratore e il motore distribuisce la coppia all'albero di trasmissione che fa girare l'asse e, a sua volta, le ruote. Ma se il motore produce troppa coppia, i tuoi pneumatici supereranno l'attrito di rotolamento che incontrano dalla strada e sbanderanno inutilmente (e forse pericolosamente). Quello che vuoi è che il tuo pneumatico non lasci mai la strada.
Suona un po' strano, ma quando il tuo camion sta guidando correttamente, la parte inferiore del pneumatico, letteralmente dove la gomma incontra la strada, rimane a riposo. Ciò che costituisce il fondo degli pneumatici cambia poiché tutti i punti del battistrada hanno l'opportunità di fungere da fondo dello pneumatico mentre completa una rotazione completa. Così fa la posizione della parte inferiore del pneumatico rispetto alla strada. Ma, per quanto riguarda la gravità e la forza normale, il fondo del pneumatico è fermo poiché non lascia mai la strada.
Quindi cosa diavolo ha a che fare tutto questo con il traino? Abbondanza. Vedrai cosa intendiamo nella prossima pagina.
Tutto ciò che hai appena appreso su come la fisica mantiene il tuo camion in movimento può essere estrapolato al traino.
Se hai la trazione integrale, tutti e quattro i pneumatici sono collegati agli alberi di trasmissione e ricevono quindi la coppia per spostarli. Se hai solo la trazione posteriore o anteriore, non temere:la coppia distribuita alle ruote motrici farà muovere anche le ruote che sono lungo la corsa. Dal momento che sono collegate al tuo camion, queste ruote si muoveranno quando le ruote motrici iniziano a muoversi. Il peso dovrebbe essere distribuito uniformemente sul camion, il che significa che ogni ruota, collegata o meno a un albero di trasmissione, deve affrontare una sfida uguale.
Dal momento che i tuoi pneumatici sono dove la gomma incontra la strada - o, più il punto, dove la forza di gravità che preme verso il basso sul tuo camion incontra la forza normale che spinge verso l'alto contro di esso - questo è dove il peso è distribuito. Se il peso è distribuito in modo uniforme, anche la forza normale che incontra viene distribuita in modo uniforme, poiché la forza normale è proporzionale alla massa del tuo camion. Ciò significa che la forza normale che ogni pneumatico incontra è circa un quarto della massa del tuo camion. Questa distribuzione equa della forza porta a una quantità uguale di forza statica e poi cinetica che ogni pneumatico incontra mentre si sposta dalla sua posizione di riposo all'accelerazione e infine alla velocità costante. Quindi la coppia sufficiente per muovere una ruota le muoverà tutte. Se il peso del tuo autocarro non è equamente distribuito, i pneumatici che supportano un peso inferiore sbandano o scivolano poiché la coppia che ricevono supera invece di eguagliare l'attrito di rotolamento che incontra dalla strada.
Questo vale tanto per i quattro pneumatici del tuo autocarro quanto per gli altri due o quattro pneumatici che aggiungerai quando trainerai un rimorchio. Questo perché, per quanto riguarda le leggi della fisica, quando il tuo rimorchio è agganciato al tuo camion è considerato un'unità singola. La massa del camion e la massa del rimorchio condividono una massa combinata. Ciò significa che la distribuzione del peso rimane importante. Se è distribuito correttamente, le gomme, siano esse quattro, sei, otto o 50, affronteranno tutte la stessa quantità di attrito quando varcano la soglia e accelerano.
Quindi, come può un camion da 5.000 libbre trainare un carico da 10.000 libbre? La risposta breve è che non può, a meno che non abbia il giusto tipo di intoppo. Se consulti il manuale del proprietario del tuo camion, vedrai che il tuo camion ha due capacità di traino:una per il peso morto e una per il peso trainato. Noterai anche che il limite di peso morto è circa lo stesso peso del tuo camion, mentre la capacità di peso trainato è circa tre volte superiore. Il motivo è che le capacità di carico trainate richiedono un attacco speciale che - avete indovinato - distribuisce il peso del rimorchio tra le ruote del rimorchio e del camion.
Il peso aggiunto del rimorchio richiede che il motore dell'autocarro lavori di più per produrre più coppia di quella richiesta quando l'autobus viaggia libero. Ma se il peso è distribuito correttamente sia all'interno del rimorchio che del veicolo autobus, l'attrito statico per ogni pneumatico sarà uguale. Quindi, che si tratti di un camion del peso di 5.000 libbre che si muove lungo la strada o di uno che traina un carico di 10.000 libbre, purché il motore sia in grado di produrre una coppia sufficiente per ruotare le ruote motrici senza superare l'attrito volvente sulla strada, tutte le altre ruote lo faranno segui.
Per ulteriori informazioni sul traino e altri argomenti correlati, visita la pagina successiva.
GrazieUn ringraziamento speciale al Dr. William Skocpol e Craig Freudenrich, Ph.D. per il loro aiuto con questo articolo!
