Здравствуйте, друзья! Хочу сразу пожелать вам, чтобы с явлением, о котором пойдет речь в этой статье, вы столкнулись только в теории. Мы рассмотрим простейшую модель заноса автомобиля при повороте на скользкой дороге, и выведем очевидные рекомендации, как его избежать
Когда автомобиль поворачивает, он движется по дуге окружности. Для простоты будем считать автомобиль материальной точкой, то есть не будем учитывать тот факт, что колеса движутся по разным радиусам.
Движение по окружности - это движение с ускорением, даже если величина скорости не меняется, ускорение меняет направление скорости. Это ускорение называется центростремительным, или нормальным, поскольку оно направлено к центру окружности перпендикулярно скорости. Формула приведена на рисунке.
Механизм заноса разберем в двух системах отсчета - инерциальной, связанной с Землей, и неинерциальной, связанной с машиной.
Инерциальная система отсчета
Согласно второму закону Ньютона, причиной ускорения является сила. Значит, чтобы автомобиль двигался по окружности, должна быть некоторая сила, которая обеспечивает нужное центростремительное ускорение, и вопреки распространенному мнению, это не сила двигателя, а сила трения покоя. Рассмотрим силы, действующие на автомобиль перпендикулярно направлению его движения:
Если автомобиль поворачивает по окружности, показанной на рисунке 1, то его колеса хотят по инерции двигаться вправо (если смотреть сзади), но сила трения им не дает, действуя на каждое колесо влево. Таким образом, сила трения покоя - единственная сила, которая действует на автомобиль в горизонтальном направлении перпендикулярно скорости, и только она может обеспечить центростремительное ускорение. Из второго закона Ньютона и его проекции на горизонтальную ось находим связь ускорения и силы.
Сила трения покоя не может расти неограниченно - она определяется коэффициентом трения и весом автомобиля. Коэффициент трения зависит от свойств поверхности, и на скользкой дороге он будет мал, так что сила трения не сможет обеспечить нужное ускорение. Из формул на рисунке 2 нетрудно получить условие отсутствия заноса.
Таким образом, зная коэффициент трения и радиус окружности, можно получить максимальную скорость, с которой машина может пройти поворот. Если же скорость будет больше, то соответствующим образом будет увеличиваться радиус - машина будет заносить влево до тех пор, пока снова не будет удовлетворяться условие отсутствия заноса. На практике, к сожалению, у машин мало возможностей для увеличения радиуса, и они слетают в кювет.
Не зря автомобилистов предупреждают - снижайте скорость! 🚑🚗
Неинерциальная система отсчета
То же самое явление заноса можно рассмотреть в неинерциальной системе отсчета, движущейся по окружности вместе с автомобилем. Такое рассмотрение подойдет тем, кто хочет знать, какая же сила сносит машину в кювет. Не буду долго темнить - это центробежная сила.
В неинерциальной системе отсчета возникает центробежная сила инерции, действующая в направлении, противоположному ускорению. Если скорость движения будет слишком велика, то центробежная сила инерции будет больше силы трения, и она будет сносить автомобиль влево. Видим, что уравнения для проекций в инерциальной и неинерциальной системах отсчета отличается только переносом ускорения в левую часть.
Условие отсутствия заноса будет точно таким же, как показано на рис. 3 для инерциальной системы отсчета. Это не удивительно, ведь результат не должен зависеть от того, в какой системе отсчета мы рассматриваем тело. Снижать скорость на повороте надо и там и тут, иначе машину снесет в кювет либо сила инерции, либо недостаточность трения.
Уважаемые читатели, желаю вам приятных и безопасных поездок как в инерциальных, так и в неинерциальных системах отсчета!
Буду рада лайкам и новым подписчикам.👍
Следующая статья из этой серии - почему надо крутить руль в сторону заноса
