Har du någonsin sett med häpnad när en pickup släpar en enorm last med tegelstenar? Om du tänkte, "Wow, det trotsar fysikens lagar!" du skulle ha fel.
Tro det eller ej, fysikens lagar (eller mer specifikt rörelselagarna) tillåter faktiskt en lastbil på 5 000 pund (2 268 kg) att dra en last på 10 000 pund (4 536 kg). Det är en del av samspelet mellan energin som utövas av lastbilens motor och tyngdkrafterna. Detta är dock ingen liten bedrift; om du kommer ihåg Newtons tredje rörelselag vet du att från det ögonblick din lastbil börjar röra sig finns det krafter som motsätter sig den varje steg på vägen.
Om du förstår körningens fysik förstår du bogseringsfysiken. Det finns faktiskt ett ganska enkelt sätt att se på processen.
Det finns tre tillstånd som din lastbil kan gå in i när det gäller körning och bogsering:vila, acceleration och konstant hastighet. När din lastbils växellåda står i park och din lastbil är orörlig, anses den vara i vila. Gravitationstrycket nedåt mot jordens centrum och trycket uppåt från jorden (kallad normalkraft ) motsätt varandra för att hålla din lastbil i vila. Din lastbil kommer att stanna kvar -- trots allt tenderar ett föremål i vila att stanna i vila.
Men du vill inte vila, du vill bogsera. Detta innebär att du måste övervinna denna tendens att vila med tillämpad 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 i rörelse. Medan de motsatta normal- och gravitationskrafterna fortfarande finns kvar, för att accelerera måste du hantera friktionskrafterna. Snarare än upp och ner existerar dessa krafter parallellt med marken och trycker i motsatt riktning mot det sätt du vill röra dig på. Du kan inte ta en paus rent fysiskt, eller hur?
Med oss hittills? Bra. Fortsätt läsa för att lära dig mer om bogseringens fysik.
Det finns två typer av friktionskrafter som verkar mot dig när du kör din lastbil. Statisk friktion är friktionen som dina däck kommer att stöta på innan de når rörelsetröskeln . När dina hjul börjar röra sig har tröskeln för rörelse passerats och dina däck måste nu hantera kinetisk friktion -- eller i fallet med ett hjul, rullande friktion . För att accelerera måste statisk friktion övervinnas genom applicerad kraft, men detta är inte fallet med rullande friktion. Istället är målet att accelerera tills den applicerade kraften är lika med mängden rullande friktion som appliceras på däcken. När mängden applicerad kraft matchar mängden rullfriktion har du nått punkten med konstant hastighet. Du kanske känner till det som marschfart -- den punkt där du inte rusar upp eller saktar ner, bara färdas med glädje.
Allt detta fysikprat skulle inte vara så mycket om det inte vore för hur din bil använder kraft från motorn för att driva din lastbil på vägen. Den gör det genom att producera vridmoment , vilket är den energi som roterar ett hjul runt sin axel. Den applicerade kraften som skapas av din motor distribueras till hjulen på din lastbil genom transmissionen, som vrider drivaxeln och fördelar vridmomentet till hjulen.
Vridmoment skiljer sig från den energi som krävs för att flytta något längs ett horisontellt plan. Tänk på det så här:Låt oss säga att du har en kvart stående på kanten som du tänker rulla ner i din korridor. Du kan trycka på kanten med fingret i en top-down-rörelse för att få den att röra sig framåt eller en bottom-up-rörelse för att få den att rulla bakåt. Du har precis applicerat vridmoment. Försök nu att flytta kvarten framåt utan att rulla den. Fungerar inte särskilt bra, eller hur? Kvarteret bara glider längs ytan vilket gör det svårt att kontrollera - inte ett särskilt effektivt sätt att röra sig. Det här är utmaningen som ställs inför din lastbil varje gång du kör:gå framåt utan sladd.
Det verkar enkelt nog; du trycker på gaspedalen och motorn fördelar vridmomentet 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 sladda värdelöst (och möjligen farligt). Vad du vill är att ditt däck aldrig ska lämna vägen.
Det låter lite konstigt, men när din lastbil kör på rätt sätt förblir botten av däcket - bokstavligen där gummit möter vägen - vila. Vad som utgör botten av däcken förändras eftersom alla punkter på slitbanan har möjlighet att fungera som däckets botten då det fullbordar en hel rotation. Det gör också placeringen av däckets botten i förhållande till vägen. Men när det gäller tyngdkraften och normalkraften är däckets botten i vila eftersom det aldrig lämnar vägen.
Så vad fan har allt detta med bogsering att göra? Massor. Du kommer att se vad vi menar på nästa sida.
Allt du just har lärt dig om hur fysiken håller din lastbil i rörelse smidigt kan extrapoleras till bogsering.
Om du har fyrhjulsdrift är alla fyra däcken kopplade till drivaxlar och får därmed vridmoment för att flytta dem. Om du bara har bakhjuls- eller framhjulsdrift, oroa dig inte:Vridmomentet som fördelas på dina drivhjul kommer att göra att hjulen som är med på åkturen också rör sig. Eftersom de är anslutna till din lastbil kommer dessa hjul att röra sig när drivhjulen börjar. Vikten bör fördelas jämnt över lastbilen, vilket innebär att varje hjul – oavsett om det är kopplat till en drivaxel eller inte – står inför en lika stor utmaning.
Eftersom dina däck är där gummit möter vägen - eller mer punkten där tyngdkraften som trycker nedåt på din lastbil möter den normala kraften som trycker uppåt mot den - det är här vikten fördelas. Om vikten är jämnt fördelad, så fördelas normalkraften den möter jämnt, eftersom normalkraften är proportionell mot din lastbils massa. Det betyder att den normala kraften som varje däck stöter på är ungefär en fjärdedel av din lastbils massa. Denna lika kraftfördelning leder till en lika stor statisk och sedan kinetisk kraft som varje däck möter när det rör sig från sitt viloläge till acceleration och slutligen konstant hastighet. Så vridmomentet som är tillräckligt för att flytta ett hjul kommer att flytta dem alla. Om vikten på din lastbil inte är jämnt fördelad, kommer däck som bär mindre vikt att sladda eller glida när vridmomentet de får övervinner snarare än är lika med den rullande friktionen som den möter från vägen.
Detta är lika sant med de fyra däcken på din lastbil som det är med två eller fyra däck till som du lägger till när du drar ett släp. Det beror på att, när det gäller fysikens lagar, när din släpvagn är ansluten till din lastbil betraktas den som en enda enhet. Lastbilens massa och släpvagnens massa delar en kombinerad massa. Det betyder att viktfördelningen förblir viktig. Om det är rätt fördelat kommer däcken – oavsett om det är fyra, sex, åtta eller 50 – alla att möta samma mängd friktion när de passerar tröskeln och accelererar.
Så hur kan en lastbil på 5 000 pund dra en last på 10 000 pund? Det korta svaret är att den inte kan, om den inte har rätt sorts krok. Om du läser din lastbils bruksanvisning ser du att din lastbil har två dragkapaciteter - en för dödvikt och en för bogserad vikt. Du kommer också att märka att dödviktsgränsen är ungefär samma vikt som din lastbil, medan dragviktens kapacitet är ungefär tre gånger högre. Anledningen är att släpviktskapaciteten kräver en speciell dragkrok som -- ni gissade rätt -- fördelar släpets vikt mellan släpets och lastbilens hjul.
Den extra vikten av släpvagnen kräver att bussens motor arbetar hårdare för att producera mer vridmoment än vad som krävs när bussen färdas obehindrat. Men om vikten är korrekt fördelad inom både släpvagnen och bussfordonet kommer den statiska friktionen för varje däck att vara lika. Så oavsett om det är en lastbil som väger 5 000 pund som rör sig på vägen, eller en som drar en last på 10 000 pund, så länge som motorn kan producera tillräckligt med 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.
TackSpeciellt tack till Dr. William Skocpol och Craig Freudenrich, Ph.D. för deras hjälp med den här artikeln!
