Hur kan en lastbil på 5 000 pund dra 10 000 pund?

Vänta, trotsar det inte fysiken? Nope. Tim McCaig / iStockPhoto

Har du någonsin förvånat dig när en pickup drar en enorm mängd tegelstenar? Om du tänkte, "Wow, det trotsar fysikens lagar!" du skulle ha fel.

Tro det eller inte, fysiklagarna (eller närmare bestämt rörelsereglerna) tillåter faktiskt en lastbil på 5 000 pund (2 268 kilogram) att bogsera en last på 4 000 pund (4,536 kg). Det är en del av samspelet mellan energin som drivs av lastbilens motor och tyngdkrafterna. Detta är dock ingen liten prestation; om du kommer ihåg Newtons tredje lag av rörelse, vet du att från det ögonblick som din lastbil börjar röra sig, finns det krafter som motsätter sig det varje steg på vägen.

Om du förstår körningens fysik förstår du bogseringens fysik. Det finns faktiskt ett ganska enkelt sätt att titta på processen.

Det finns tre tillstånd som din lastbil kan komma in när det gäller körning och bogsering: vila, acceleration och konstant hastighet. När din lastbils växellåda är i park och din lastbil är rörlig, betraktas den i vila. Tyngdkrafttrycket nedåt mot jordens centrum och uppåttrycket från jorden (kallas normal styrka) motsätter varandra för att hålla din lastbil i vila. Din lastbil kommer att förbli ställd - trots allt tenderar ett objekt i vila att stanna i vila.

Men du vill inte vila, du vill bogsera. Det betyder att du måste övervinna denna tendens att vila igenom tillagd kraft. Lyckligtvis för dig har din lastbil en motor som kan producera energi, som fungerar som den applicerade kraften som krävs för att få dig att flytta. Medan de motsatta normala krafter och gravitationskrafter fortfarande kvarstår, för att påskynda måste du ta itu med friktionskrafterna. I stället för uppåt och nedåt finns dessa krafter parallellt med marken och skjuter i motsatt riktning som du vill röra dig. Du kan inte få en paus fysiskt, kan du?

Med oss ​​hittills? Bra. Fortsätt läsa för att lära dig mer om bogseringens fysik.

Ta in det, fellas. Det är här vridmomentet produceras. Hill Street Studios / Getty Images

Det finns två slags friktionskrafter som arbetar mot dig när du kör din lastbil. Statisk friktion är den friktion som dina däck kommer att möta innan de når rörelsetröskel. När dina hjul börjar röra sig har rörelsetröskeln korsats och dina däck måste nu hantera kinetisk friktion -- eller i fallet med ett hjul, rullande friktion. För att påskynda måste statisk friktion övervinnas genom applicerad kraft, men detta är inte fallet med rullande friktion. Istället är målet att påskynda tills den applicerade kraften är lika med den mängd rullningsfriktion som appliceras på däcken. När mängden applicerad kraft matchar mängden rullande friktion har du nått punkten med konstant hastighet. Du kanske känner till det som kryssningshastighet - den punkten där du inte påskyndar eller saktar ner, bara reser lyckligt med.

Allt detta fysikprat skulle inte vara så mycket om det inte var för det sätt som din bil använder påtryckt kraft från motorn för att driva din lastbil längs vägen. Det gör det genom att producera vridmoment, vilket är energin som roterar ett hjul på sin axel. Den applicerade kraften som skapas av din motor distribueras till hjulen på din lastbil genom växellådan, som vrider drivaxeln och fördelar vridmomentet till hjulen.

Momentet skiljer sig från energin som krävs för att flytta något längs ett horisontellt plan. Tänk på det så här: Låt oss säga att du har en fjärdedel på gränsen som du tänker rulla ner i korridoren. Du kan trycka på kanten med fingret i en rörelse uppifrån och ner för att få den att röra sig framåt eller en botten-upp-rörelse så att den rullar bakåt. Du har just använt vridmoment. Försök nu flytta kvartalet framåt utan att rulla det. Fungerar det inte särskilt bra, eller hur? Fjärdedelen glider bara längs ytan vilket gör det svårt att kontrollera - inte ett särskilt effektivt sätt att röra sig på. Detta är den utmaning som presenteras för din lastbil varje gång du kör: gå framåt utan att åka.

Det verkar enkelt nog; du trycker på gaspedalen, och motorn fördelar vridmoment till drivaxeln som snurrar axeln och i sin tur hjulen. Men om motorn producerar för mycket vridmoment kommer dina däck att övervinna den rullande friktionen de möter från vägen och kommer att rida värdelöst (och eventuellt farligt). Det du vill är att ditt däck aldrig lämnar vägen.

Det låter lite konstigt, men när din lastbil kör ordentligt förblir däckets botten - bokstavligen där gummi möter vägen - i vila. Vad som utgör däckens botten förändras eftersom alla punkter på slitbanan har möjlighet att tjäna som däckets botten eftersom det fullbordar en full rotation. På samma sätt gör platsen för däckets botten i förhållande till vägen. Men när det gäller tyngdkraften och normalkraften är däckets botten vilande eftersom det aldrig lämnar vägen.

Så vad fan har allt detta att göra med bogsering? Massor. Du får se vad vi menar på nästa sida.

Så länge vikten är lika fördelad, bör denna lastbil kunna bogsera mer än två gånger sin egen vikt. Alexander Hafemann / iStockPhoto

-Allt du just har lärt dig om hur fysik gör att din lastbil rör sig smidigt kan extrapoleras på bogsering.

Om du har fyrhjulsdrift är alla fyra däck anslutna till drivaxlar och får därmed vridmoment för att flytta dem. Om du bara har bakhjulsdrift eller framhjulsdrift, rädsla inte: vridmomentet som distribueras till dina drivhjul kommer att göra att hjulen som är med för att rida också. Eftersom de är anslutna till din lastbil kommer dessa hjul att röra sig när drivhjulen börjar. Vikten ska fördelas jämnt över lastbilen, vilket innebär att varje hjul - oavsett om det är anslutet till en drivaxel eller inte - står inför en lika utmaning.

Eftersom dina däck är där gummi möter vägen - eller, närmare bestämt, där tyngdkraften som trycker nedåt på din lastbil möter den normala kraften som trycker uppåt mot det - det är här vikten fördelas. Om vikten fördelas jämnt fördelas även den normala kraften som den stöter på, eftersom normalkraften är proportionell mot din lastbils massa. Detta innebär att den normala kraften som varje däck möter är ungefär en fjärdedel av din lastbil. Denna lika kraftfördelning leder till en lika stor mängd statisk och sedan kinetisk kraft som varje däck möter när det rör sig från sitt viloläge till acceleration och slutligen konstant hastighet. Så det vridmoment som räcker för att flytta ett hjul kommer att flytta dem alla. Om din lastbils vikt inte är lika fördelad, kommer däck som bär mindre vikt att glida eller glida när vridmomentet får överträffar snarare än lika med den rullande friktionen som den möter från vägen.

Detta gäller lika med de fyra däcken på din lastbil som med två eller fyra fler däck du lägger till när du bogserar en släp. Det beror på att vad gäller fysiklagarna, när din släpvagn är ansluten till din lastbil anses den vara en enda enhet. Lastbilens massa och trailerns massa delar en kombinerad massa. Detta innebär att viktfördelningen förblir viktig. Om de är fördelade på rätt sätt kommer däcken - oavsett om det finns fyra, sex, åtta eller 50 - att möta samma friktion som de går över tröskeln och accelererar.

Så hur kan en lastbil på 5 000 pund släppa en last på 10 000 pund? Det korta svaret är att det inte kan, såvida det inte har rätt typ av problem. Om du konsulterar din lastbils bruksanvisning ser du att din lastbil har två bogserförmågor - en för dödvikt och en för bogserad vikt. Du kommer också att märka att den döda viktgränsen är ungefär samma vikt som din lastbil, medan den bogserade vikten är tre gånger högre. Anledningen är att bogserad viktkapacitet kräver en speciell fäste som - du gissade det - fördelar trailerns vikt mellan trailerns och truckens hjul.

-Släpvagnens extra vikt kräver att motorfordonets motor arbetar hårdare för att producera mer vridmoment än vad som krävs när bussen reser obehindrad. Men om vikten är korrekt fördelad inom både släpvagnen och släpfordonet kommer den statiska friktionen för varje däck att vara lika. Oavsett om det är en lastbil som väger 5 000 pund som rör sig längs vägen, eller en som drar en last på 10 000 pund, så länge motorn kan producera tillräckligt vridmoment för att rotera drivhjulen utan att övervinna den rullande friktionen på vägen, kommer alla andra hjul att Följ.

För mer information om bogsering och andra relaterade ämnen, besök nästa sida.

Tack

Särskilt tack till Dr. William Skocpol och Craig Freudenrich, Ph.D. för deras hjälp med den här artikeln!

Relaterade artiklar

• Hur bogsering av viktfördelningssystem fungerar
• Hur tungvikt fungerar
• 10 bogseringstips
• Hur illa är det om jag bogserar mer än min lastbils dragkapacitet?
• Kommer att släpa en släpvagn skada mitt fordon?
• Hur Newtons rörelselag fungerar

Fler bra länkar

• Tips om säkerhet och bogsering
• Boston University Physics
• Bogsering av viktdefinitioner och betyg

källor

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