Физические основы движения транспортных средств

XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Физические основы движения транспортных средств

Ростиславов Я.О. 1
1КГУ "Общеобразовательная школа №19 отдела образования города Костаная " Управления образования Костанайской области
Мякишева Е.Ю. 1
1КГУ "Общеобразовательная школа №19 отдела образования города Костаная " Управления образования Костанайской области
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

I. Введение

Актуальность: Движение транспортного средства происходит по физическим законам и может являться хорошей демонстрацией законов движения – всех законов Ньютона, законов сохранения энергии, законов кинематики, законов трения и коэффициента полезного действия. Исследование представляет собой интерес с точки зрения математики и физики для нахождения оптимальных параметров движения модели. Уравнение, описывающее движение подобных моделей не описываются в литературе и представляет собой интересный случай из которого следует, что  иногда данное движение можно рассматривать как колебательное, если сделать конструкцию, которая будет двигаться не в одну сторону, а в разные.

Гипотеза исследования(Формулировка постановки проблемы):   Если изготовить модель транспортного средства, то это позволит более наглядно демонстрировать  различные физические законы.

Цель работы: Выявить физические закономерности, определяющие движение транспортных средств.

Задачи исследования.

1. Классификация транспортных средств

2. Изготовление модели, позволяющей изменять параметры

3.Определение зависимостей параметров движения ТС от различных    

факторов.

Объект исследования: Транспортные средства

Предмет исследования: Модель транспортного средства с резиномотором

Практическая значимость: Исследование зависимостей параметров движения транспортных средств от внешних и внутренних факторов позволяют понять физическую суть движения транспортного средства и может быть использована как для целей понимания физических основ, так и для обучения профессиональным навыкам учащихся, связанных с транспортом.

Степень самостоятельности: Учащийся самостоятельно провел анализ литературных источников, изучил вопросы по законам сохранения энергии, зависимости скорости машин от различных параметров, не входящие в школьную программу,  самостоятельно  изготовил движущиеся модели для измерения и провел измерения. Кроме того учащийся практически самостоятельно разработал методику измерения механических характеристик. Помощь преподавателя понадобилась только при интерпретации полученных результатов, их обработке и написании выводов.

Методы исследования:

1) Изучение и обобщение  информации из книг, учебников, литературы, интернета;

2) Теоретический  анализ знаний, полученных из литературы, вывод уравнения движения транспортного средства

3) Практический метод - изготовление ТС  и проведение с его помощью опытов по доказательству полученного уравнения движения.

II. Основная часть.

Каковы причины движения автомобиля? Какие силы действуют на автомобиль?

В нашей работе мы попытаемся ответить на эти вопросы, используя специальную литературу. Рассмотрим какие внутренние и внешние силы действуют на автомобиль во время движения по прямой и наклонной поверхности. Определим какие силы препятствуют, а какие способствуют движению автомобиля. Будем исследовать зависимость всех параметров движения.

Какая же сила является  движущей силой автомобиля?

Основы движения транспортного средства

При движении автомобиля на него действует большое количество сил. Рассмотрим силы, действующие на транспортное средство в различных условиях.
Источником силы является двигатель автомобиля, паровой, бензиновый, электрический. Он развивает определенную мощность – силу, помноженную на скорость и крутящий момент. Эта сила посредством системы передачи прикладывается к колесам, которые называются ведущими.

Движущей силой автомобиля является сила трения колес о дорогу. Чем больше сила трения колес о дорогу, и чем больше подводимая к колесам  мощность, тем больше скорость автомобиля. Трение качения является вредным трением, препятствующим движению, а трение покоя полезным видом трения, движущей силой автомобиля.

III. Поисковый этап

Методика эксперимента

Теоретические предпосылки нашей работы.

Для рассмотрения физических основ движения транспортных средств (далее ТС), нами была разработана и изготовлена простая модель, показанная на фото. Фото 1: Модель транспортного средства

34 2 1

           1.  Ведущие колеса модели

                2.  Ведомые колеса модели

3.     Вал привода задних колес

4.     Двигатель (Резиномотор из упругой резинки)

 Модель работает следующим образом:

На вал ведущих колес наматывается нитка, прикреплённая к резиномотору. При вращении ведущих колес против часовой стрелки нить накручивается на вал, что приводит к «зарядке» энергией резиномотора. Если колеса отпустить, то они приходят во вращение. Если модель поставить на опору, то это приводит к движению модели.

Рассмотрим нашу модель ТС. В ней источником силы является резиномотор. При растяжении резинки в ней запасается энергия, которую необходимо использовать для движения. В нашем случае это потенциальная энергия упругой деформации: 

После натяжения резинки появляется сила упругости резинки:   , которая для ТС является внутренней (Fдвигателя, (Fдв)) и, как, известно, не может привести ТС в движение. Поскольку наше ТС является колесным, то необходимо заставить ведущее колесо вращаться, то есть к колесам должен быть приложен момент сил М. Этот момент называется моментом силы двигателя или крутящим моментом. В модели он создается при помощи привода – нитки, соединяющей ось колеса и двигатель:  

Поскольку ось колеса имеет радиус r, то и момент силы равен:

Под действием этого момента ведущие колеса будут вращаться.

Для движения транспортного средства нужно к нему приложить внешнюю силу, роль которой играет сила трения Fтр, возникающая между колесами радиуса R и поверхностью, на которую мы поставим модель транспортного средства. Возникает момент силы трения:       ,  противоположный моменту силы двигателя Мдвиг.

Пусть        - угловое ускорение колес.

 – Момент инерции ведущих колес.

Центр тяжести транспортного средства движется с ускорением: , где m – масса транспортного средства.

Угловое ускорение колес будет зависеть от разности моментов двигателя и силы трения:

Колеса не будут скользить, если соблюдается условие равенства линейных скоростей колеса    и ускорения транспортного средства:   

                     

Разделим обе части на R:

Левую часть умножим и разделим на m:

             Поскольку:

Получаем:         Далее:  

Поскольку  получим главную формулу движения транспортного средства:

     

 Левая часть – это сила трения (покоя, если автомобиль двигается, и скольжения, если автомобиль буксует и стоит на месте) ведущих колес ТС о дорогу. В правой части в числителе  механический момент, развиваемый двигателем, а в знаменателе  - радиус ведущих колес.

IV. Результаты исследования

Проведение экспериментов:

Опыт  № 1.   Опыт  № 1. Исследование зависимости скорости движения ТС от мощности двигателя.

Мощность двигателя будем изменять, используя в резиномоторе различное число одинаковых по жесткости  резинок. Ранее мы экспериментально определили коэффициент жесткости резинки. Знаем  удлинение резинок (мы растягиваем их  сами). Измеряем время прохождения участка, на котором модель получает энергию, длина этого участка L=4,6 м измерена экспериментально, следующим образом:

1)        Вращая вал ведущих колес, на который наматывается нитка,  соединенная с резиномотором, натягиваем резиномотор до нужной длины. Во всех опытах величину деформации резиномотора сохраняем постоянной.

2)        Удерживая ведущие колеса от вращения, ставим модель в точку старта. Удерживаем модель от движения и проскальзывания колес медленно прокатываем транспортное средство из положения старта 1 в положение финиша 2, и следим,  когда резиномотор  полностью станет свободным (при старте резиномотора, резинка натянута на всю длину, при финише резинка полностью расслаблена).

3)        Измеряем длину, на которой резиномотор полностью разрядился. 

4)        Расстояние от точки 1 до точки 2 будем называть контрольным

5)        Будем измерять время прохождения моделью контрольного участка, которое и соответствует времени, когда резиномотор отдает энергию. Это время и будем использовать для измерения мощности.

 

 По формуле определяем мощность и скорость модели транспортного средства.

Результаты заносим в таблицу: 

Таблица 1: Зависимость скорости движения ТС от мощности двигателя

№ опыта

Число одинаковых резинок в резиномоторе

Жесткость резинки, к, Н/м

Удлинение резинки, , м

Время прохождения участка, , с

Скорость, , м/с

Мощность, Р, Вт

1

1

59,52

0,2

7,9

0,582

0,151

2

2

 

0,2

5,5

0,836

0,433

3

3

 

0,2

4,1

1,122

0,871

4

4

 

0,2

3,9

1,279

1,221

5

5

 

0,2

2

2,300

2,976

Вычисления:     Скорости движения ТС:

    

Мощности резиномотора:

Вывод:  С увеличением мощности двигателя возрастает и средняя скорость, которую может развить транспортное средство. Для того, чтобы развивать большие скорости нужны большие мощности мотора.

Опыт № 2. Исследование скорости движения ТС от его массы при одной и той же мощности двигателя.

Для опытов возьмем модель ТС с двумя резинками резиномотора и будем её нагружать грузами 50г, 100г, 150г, 200г и т.д.,  до того момента, пока она не сможет сдвинуться с места. Зная удлинение резинок и время прохождения участка на котором модель получает энергию,  можно определить  скорость модели транспортного средства.

Таблица 3: Зависимость скорости движения ТС от массы при постоянной мощности двигателя

№ п/п

Жёсткость, к, Н/м

Удлинение резинки, , м

Время движения модели, t, с

Путь модели, L,м

Скорость модели, , м/с

Полная масса тележки m, кг

1

2*59,52

0,22

7

5,75

0,822

0,126

2

2*59,52

0,22

7,9

 

0,728

0,226

3

2*59,52

0,22

8,9

 

0,646

0,326

4

2*59,52

0,22

11,5

 

0,500

0,426

5

2*59,52

0,22

15,5

 

0,371

0,526

6

2*59,52

 

Не поехала

 

 

0,626

 

 

 

 

 

 

Вычисления: Скорости движения ТС:                                      

 Крутящего момента:

              

 Вывод: С увеличением массы ТС скорость его движения уменьшается, вплоть до того момента, что ТС не может сдвинуться с места при данной мощности двигателя. Следовательно, для увеличения грузоподъемности ТС необходимо использовать ТС с мощными двигателями.

Опыт № 3. Исследование зависимости средней скорости движения транспортного средства от механического момента, развиваемого двигателем.

Так как в теории мы выяснили, что скорость ТС зависит от крутящего момента двигателя, то проверим это с помощью опыта.  В предыдущем эксперименте  установили зависимость скорости ТС при одном моменте на валу. Этим валом была ось ведущих колес. Мы так же установили и грузоподъемность ТС.  Изменим радиус вала, примерно в 3 раза,  намотав на него изоленту, так, чтобы она на валу не прокручивалась.

Подсоединим к новому диаметру вала привод (нитку).

Установив в резиномоторе тоже число резинок 2, что и в предыдущем опыте,  растянем его на ту же длину, что и прежде 0,22 м.  Величина силы двигателя Fдв  определится по закону Гука, а крутящий момент определим из формулы:      Зная удлинение резинок и время прохождения участка, на котором модель  получает энергию, можно определить  скорость модели транспортного средства. Длина пути модели L=1,86 м, определялась экспериментально так же,  как описано сверху. Исследуем зависимость скорости ТС при различных моментах на валу, в том числе и при том, когда в предыдущем опыте модель не захотела двигаться.

Таблица 4:  Зависимости средней скорости движения транспортного средства  от механического момента, развиваемого двигателем.

№ опыта

Масса модели, m, кг

 

Радиус вала модели с изолентой,  r2, м

Время прохождения участка, , с

Сила двигателя резиномотора, Fдв , Н

Скорость, , м/с

Крутящий момент двигателя с изолентой,Мдвиг2, Н*м

1.

0,126

0,0056

2,5

26,19

0,744

0,147

2.

0,226

 

2,7

 

0,688

 

3.

0,326

 

2,9

 

0,641

 

4.

0,426

 

3,5

 

0,531

 

5.

0,526

 

4,9

 

0,369

 

Таблица 5:  Сравнительная таблица средней скорости движения транспортного средства от различных механических моментов, развиваемых двигателем (из опыта 2 и опыта 3)

Масса тележки + дополнительная масса, m, кг

Радиус вала модели без изоленты, r1, м 

Крутящий момент без изоленты, Мдвиг1, Н*м

Скорость модели с валом без изоленты, 1, м/с

Радиус вала модели с изолентой,  r2, м

Крутящий момент двигателя с изолентой,Мдвиг2, Н*м

Скорость модели с валом с изолентой, , м/с

Сравнение скорости при разных диаметрах вала:

0,126

0,0019

0,049

0,822

0,0056

0,147

0,744

1,19

0,226

 

 

0,728

 

 

0,688

1,27

0,326

 

 

0,646

 

 

0,641

1,37

0,426

 

 

0,500

 

 

0,531

1,28

0,526

 

 

0,371

 

 

0,369

1,57

0,626

 

 

-

 

 

0,344

 

0,726

 

 

 

 

 

0,269

 

0,826

 

 

 

 

 

-

 

Вывод:

1.                     При увеличении крутящего момента в  раза  при одной и той же мощности двигателя,  скорость модели уменьшается.

2.                     С валом меньшего радиуса грузоподъемность модели 400г, а с увеличенным валом грузоподъемность возросла до 600 г.  

3. Если вал модели увеличить до радиуса 0,019 м, т.е. в 10 раз, то модель вообще не смогла тронуться с места, а проскальзывала. Это показывает, что возросший момент на валу, превышает момент силы трения ПОКОЯ колес о дорогу. Чтобы этого избежать можно догрузить модель, то есть увеличить сцепной вес и, тем самым, увеличить силу трения покоя между колесами и дорогой.

4. На большом валу двигателя модель проехала меньшее расстояние при том же запасе энергии.

5. При  одинаковой запасенной энергии  двигателя  машина с большим валом развивает меньшую скорость, но  имеет большее тяговое усилие.

Получается при увеличении крутящего момента двигателя скорость ТС уменьшилась, путь, который она проходит при одинаковой мощности двигателя уменьшился также, но увеличилось тяговое усилие. Поэтому тяжоловесные автомобили везут много, но с меньшей скоростью и тратят больше горючего!

Опыт №4. Зависимость скорости движения модели  от  силы трения в осях и движущихся деталях

Для опыта берем одну модель и меняем у нее силу сопротивления в узлах и деталях транспортного средства. На реальных ТС это силы, возникающие в механических передачах, сила аэродинамического сопротивления, трение качения и др. с помощью помещения на вал сдерживающего механизма, который изменяет силу трения. Измеряем путь, время движения модели и рассчитываем её скорость движения.  Делаем вывод о зависимости скорости движения модели от силы трения в движущихся деталях. Сила трения в узлах ТС, как и сила сопротивлению качению препятствует движению.

Таблица 7: Зависимость скорости движения модели  от  силы трения в осях и движущихся деталях

№ п/п

Жёсткость, к, Н/м

Средний крутящий  момент, М 0ср, Н*м

Сила трения, Fтр, Н

Момент силы трения, Мтр, Н*м

Крутящий момент с силой трения,

М ср, Н*м

Диаметр вала,d,м

Время движения модели, t, с

Путь модели, s, м

Скорость модели, , м/с

Мощность двигателя, Р, Вт

1

59,52

0,0179

1,0

0,0040

0,0139

0,004

7

3,05

0,44

0,170

С наличием сдерживающего механизма на валу:

№ п/п

Жёсткость, к, Н/м

Средний крутящий  момент, М 0ср, Н*м

Сила трения, Fтр, Н

Момент силы трения, Мтр, Н*м

Крутящий момент с силой трения,

М ср, Н*м

Диаметр вала,d,м

Время движения модели, t, с

Путь модели, s, м

Скорость модели, , м/с

Мощность двигателя, Р, Вт

1

59,52

0,0179

1,2

0,0048

0,0131

0,004

12

3,05

0,25

0,099

       Вывод:При увеличении силы трения на валу, скорость движения ТС  уменьшилась. Уменьшая трение в осях и движущихся деталях можно увеличить скорость движения автомобиля.   

Опыт №5. Зависимость дальности пробега модели  от  запаса энергии   

резиномотора

Для опыта возьмем одну модель и один вид резинки. Будем накручивать резинку на различное количество оборотов и отпускать. Измерим путь и время движения модели. Рассчитаем её скорость и запас энергии резиномотора.

Таблица 8: Зависимость дальности пробега модели  от  запаса энергии резиномотора (удлинение резинки)

Жёсткость, к, Н/м

Удлинение резинки, , м

Потенциальная энергия резиномотора, Е, Дж

Время движения модели, t, с

Дальность пробега модели, L, м

Скорость модели, , м/с

1

59,52

0,060

0,107

7

1,37

0,20

2

 

0,105

0,328

9

2,58

0,28

3

 

0,170

0,860

12

4,50

0,38

4

 

0,200

1,190

13

5,30

0,41

Вычисления:

Запаса потенциальной энергии  резиномотора:

Вывод:  При увеличении энергии резиномотора (удлинения резинки) увеличивается длина пробега тележки. Данная зависимость продемонстрирована на графике. Делаем также вывод, что для того, чтобы ехать дальше, бак автомобиля должен быть заправлен больше

Опыт 6. Исследование зависимости силы тяги ТС от коэффициента трения колес о дорогу при постоянном моменте на валу двигателя.

Поскольку движущей силой является сила трения покоя колес о дорогу, то это можно проверить.

 Для этого используем модель с достаточно большим валом (изолентой на валу). Растягиваем резиномотор на одну и ту же длину во всех опытах. Тем самым добиваемся одного и того же момента на валу.  Модель загружаем (это надо подобрать до какой величины) и опускаем на стекло. Динамометр, прицепленный к модели,  покажет силу тяги на стекле. Нужно подобрать вес так, чтобы колеса не скользили, но были близки к этому.  Затем на линолиуме и затем на наждачной бумаге. Модель не должна ехать, она только растягивает динамометр. По идее должны получится не сильно расходящиеся, но разные значения.

Проделав опыт,  мы получили следующие результаты:

Таблица 9.  Зависимость силы тяги ТС от коэффициента трения колес о дорогу при постоянном моменте на валу двигателя.

Вид поверхности

стекло

ковер

наждачка

Средняя сила тяги с большими колесами

0,2Н

0,5Н

0,6Н

Сила тяги с малыми колесами

0,3Н

0,7Н

0,9Н

                           

Наждачка                                    Стекло                         

Вывод: Сила тяги ТС зависит от коэффициента трения колес о   дорогу.

Если он мал (грязь, гололед) то автомобиль не может двигаться, потому, что сила тяги уменьшилась настолько, что не может сдвинуть ТС с места.  И показали, что величина силы тяги обратно пропорциональна диаметру колес (диаметр в знаменателе формулы). Модель с колесами меньшего радиуса имеет большую силу тяги, чем с большими.

Этим самым мы полностью прошли по главной формуле, подтвердив ее правильность.

          или    

Проделав работу, мы смогли рассчитать КПД своего ТС:

КПД транспортного средства получился маленький из - за больших сил сопротивления для данной модели ТС.

VI. Заключение

На СТО есть тормозные стенды – оборудование, которое устанавливается  для проверки эффективности работы системы торможения автомобиля.  Мы смогли измерить  параметры, которые измеряют с помощью этих стендов, с помощью своей  изготовленной модели.

В результате проделанной работы нам удалось доказать гипотезу, т.е. что

если изготовить модель транспортного средства, то это позволит более наглядно демонстрировать  различные физические законы: законы сохранения энергии, законы Ньютона, законы трения и коэффициента полезного действия.

Мы получили теоретически основное уравнение движения ТС, в котором показаны зависимости параметров движения моделей ТС.  Затем доказали эти зависимости экспериментально с помощью опытов.

И получили, что:

  1.С увеличением мощности двигателя возрастает и максимальная скорость, которую может развить транспортное средство. Для того, чтобы развивать большие скорости нужны большие мощности мотора.

2. С увеличением массы ТС скорость его движения уменьшается, вплоть до того момента, что ТС не может сдвинуться с места при данной мощности двигателя.

3. Для увеличения грузоподъемности ТС необходимо использовать ТС с мощными двигателями.

4. При увеличении крутящего момента   при одной и той же мощности двигателя,  скорость модели уменьшается

5. На большом валу двигателя модель проехала меньшее расстояние при том же запасе энергии.

6. На разгон по различным поверхностям от ТС требуется различная сила тяги. 

7. При увеличении силы трения на валу, скорость движения ТС  уменьшилась. Уменьшая трение в осях и движущихся деталях можно увеличить скорость движения автомобиля.  

8. При увеличении энергии резиномотора (удлинения резинки) увеличивается длина пробега тележки.

9. Сила тяги ТС зависит от коэффициента трения колес о   дорогу.

Если он мал (грязь, гололед) то автомобиль не может двигаться, потому, что сила тяги уменьшилась настолько, что не может сдвинуть ТС с места.  И показали, что величина силы тяги обратно пропорциональна диаметру колес (диаметр в знаменателе формулы). Модель с колесами меньшего радиуса имеет большую силу тяги, чем с большими. 

VII. Список использованной литературы

1.     Бадагуев, Б.Т. Эксплуатация транспортных средств (организация и безопасность движения) / Б.Т. Бадагуев. — М.: Альфа-Пресс, 2012. — 240 c.

2.     Вахламов В. К., Шатров М. Г., Юрчевский А. А. Автомобили. Теория и конструкция автомобиля и двигателя. М.: Издательский центр «Академия», 2003.

3.     Волков, В.С. Основы расчета систем автомобилей, обеспечивающих безопасность движения: Учебное пособие / В.С. Волков. — СПб.: Лань, 2015. — 144 c.

4.     Мякишев Г.Я., Буховцев  Б.Б.  Физика 10, - :Просвещение, М, 1999

5.     Тарасик В.П.  Теория движения автомобиля: учебник для ВУЗов/В.П.Тарасик –СПб.: БХВ – Петербург, 2006.

6.     https://docviewer.yandex.kz/view/644760542

7.     http://e.biblio.bru.by/bitstream/handle/1212121212/5026/Учебное%20пособие_Сазонов_Ким_Чой.pdf.

Просмотров работы: 46