Heb je ooit met verbazing gekeken hoe een pick-up een enorme lading stenen sleept? Als je dacht:"Wauw, dat tart de wetten van de natuurkunde!" je zou het mis hebben.
Geloof het of niet, de wetten van de fysica (of meer specifiek de bewegingswetten) laten een vrachtwagen van 2.268 kilogram toe om een lading van 4.536 kg te trekken. Het maakt deel uit van het samenspel tussen de energie die wordt uitgeoefend door de motor van de vrachtwagen en de zwaartekracht. Dit is echter geen geringe prestatie; als je je de derde bewegingswet van Newton herinnert, weet je dat vanaf het moment dat je vrachtwagen begint te bewegen, er krachten zijn die hem bij elke stap tegenwerken.
Als je de fysica van autorijden begrijpt, begrijp je de fysica van slepen. Er is eigenlijk een vrij eenvoudige manier om naar het proces te kijken.
Er zijn drie toestanden die uw vrachtwagen kan betreden als het gaat om rijden en slepen:rust, acceleratie en constante snelheid. Wanneer de transmissie van uw vrachtwagen in de parkeerstand staat en uw vrachtwagen stilstaat, wordt deze als in rust beschouwd. De zwaartekracht naar beneden in de richting van het middelpunt van de aarde en de opwaartse duw van de aarde (de zogenaamde normaalkracht ) zich tegen elkaar verzetten om uw vrachtwagen stil te houden. Uw vrachtwagen blijft staan -- een stilstaand object blijft immers meestal in rust.
Maar je wilt niet rusten, je wilt slepen. Dit betekent dat je deze neiging om te rusten moet overwinnen door toegepaste kracht . Gelukkig voor u heeft uw vrachtwagen een motor die energie kan produceren, die dient als de uitgeoefende kracht die nodig is om u in beweging te krijgen. Terwijl de tegengestelde normaal- en zwaartekrachtskrachten nog steeds bestaan, zul je om te versnellen te maken krijgen met wrijvingskrachten. In plaats van op en neer, bestaan deze krachten evenwijdig aan de grond en duwen ze in de tegenovergestelde richting van de manier waarop je wilt bewegen. Fysiek kun je geen pauze nemen, toch?
Tot nu toe bij ons? Mooi zo. Blijf lezen om meer te weten te komen over de fysica van slepen.
Er zijn twee soorten wrijvingskrachten die tegen je werken terwijl je met je vrachtwagen rijdt. Statische wrijving is de wrijving die uw banden zullen ondervinden voordat ze de bewegingsdrempel . bereiken . Zodra uw wielen beginnen te bewegen, is de bewegingsdrempel overschreden en moeten uw banden nu omgaan met kinetische wrijving -- of in het geval van een wiel, rollende wrijving . Om te versnellen, moet statische wrijving worden overwonnen door uitgeoefende kracht, maar dit is niet het geval bij rollende wrijving. In plaats daarvan is het doel om te versnellen totdat de uitgeoefende kracht gelijk is aan de hoeveelheid rolwrijving die op de banden wordt uitgeoefend. Zodra de hoeveelheid uitgeoefende kracht overeenkomt met de hoeveelheid rollende wrijving, heb je het punt van constante snelheid bereikt. Je kent het misschien als kruissnelheid -- het punt waarop je niet versnelt of vertraagt, maar gewoon vrolijk verder reist.
Al dit gepraat over natuurkunde zou niet veel betekenen als je auto niet de kracht van de motor gebruikt om je truck over de weg te stuwen. Het doet dit door koppel . te produceren , wat de energie is die een wiel om zijn as laat draaien. De door uw motor uitgeoefende kracht wordt via de transmissie naar de wielen van uw truck verdeeld, die de aandrijfas laat draaien en het koppel over de wielen verdeelt.
Koppel is iets anders dan de energie die nodig is om iets langs een horizontaal vlak te bewegen. Zie het als volgt:laten we zeggen dat je een kwart op de rand hebt staan die je door je gang wilt rollen. Je kunt met je vinger op de rand duwen in een beweging van boven naar beneden om hem vooruit te laten gaan of een beweging van onderaf om hem naar achteren te laten rollen. Je hebt zojuist koppel toegepast. Probeer nu het kwart naar voren te bewegen zonder het te rollen. Werkt niet zo goed, toch? Het kwart glijdt gewoon over het oppervlak, waardoor het moeilijk te controleren is - niet een erg efficiënte manier om te bewegen. Dit is de uitdaging die uw truck elke keer als u rijdt:vooruit rijden zonder te slippen.
Het lijkt eenvoudig genoeg; je trapt het gaspedaal in en de motor verdeelt het koppel naar de aandrijfas die de as laat draaien en op zijn beurt de wielen. Maar als de motor te veel koppel produceert, zullen uw banden de rolwrijving overwinnen die ze van de weg tegenkomen en zullen ze nutteloos (en mogelijk gevaarlijk) slippen. Wat u wilt, is dat uw band nooit van de weg komt.
Het klinkt een beetje vreemd, maar als je vrachtwagen goed rijdt, blijft de onderkant van de band - letterlijk waar het rubber de weg raakt - in rust. Wat de onderkant van de banden vormt, verandert omdat alle punten op het loopvlak de mogelijkheid hebben om als onderkant van de band te dienen wanneer deze een volledige omwenteling voltooit. Hetzelfde geldt voor de ligging van de onderkant van de band ten opzichte van de weg. Maar wat de zwaartekracht en de normaalkracht betreft, is de onderkant van de band in rust omdat hij nooit van de weg komt.
Dus wat heeft dit alles in godsnaam met slepen te maken? Veel. Op de volgende pagina ziet u wat we bedoelen.
Alles wat je zojuist hebt geleerd over hoe de fysica ervoor zorgt dat je truck soepel blijft rijden, kan worden geëxtrapoleerd naar slepen.
Als u vierwielaandrijving heeft, zijn alle vier de banden verbonden met aandrijfassen en krijgen ze dus koppel om ze te verplaatsen. Als u alleen achterwiel- of voorwielaandrijving heeft, hoeft u zich geen zorgen te maken:het koppel dat naar uw aandrijfwielen wordt verdeeld, zorgt ervoor dat de wielen die meegaan met de rit ook bewegen. Omdat ze zijn verbonden met uw vrachtwagen, zullen deze wielen bewegen wanneer de aandrijfwielen beginnen te bewegen. Het gewicht moet gelijkmatig over de truck worden verdeeld, wat betekent dat elk wiel -- of het nu op een aandrijfas is aangesloten of niet -- voor een gelijke uitdaging staat.
Omdat je banden zijn waar het rubber de weg raakt - of, meer het punt, waar de zwaartekracht die naar beneden drukt op je vrachtwagen de normaalkracht ontmoet die ertegenaan duwt - is dit waar het gewicht wordt verdeeld. Als het gewicht gelijkmatig is verdeeld, wordt de normaalkracht die het tegenkomt ook gelijkmatig verdeeld, aangezien de normaalkracht evenredig is met de massa van uw vrachtwagen. Dit betekent dat de normaalkracht die elke band ondervindt ongeveer een kwart van de massa van uw vrachtwagen is. Deze gelijke krachtverdeling leidt tot een gelijke hoeveelheid statische en vervolgens kinetische kracht die elke band ondervindt wanneer deze van zijn rustpositie naar versnelling en uiteindelijk constante snelheid beweegt. Dus het koppel dat genoeg is om één wiel te verplaatsen, zal ze allemaal verplaatsen. Als het gewicht van uw vrachtwagen niet gelijkmatig wordt verdeeld, zullen banden die minder gewicht dragen, slippen of glijden omdat het koppel dat ze ontvangen de rolwrijving van de weg overwint in plaats van gelijk te zijn aan de rolwrijving.
Dit geldt net zo goed voor de vier banden op uw vrachtwagen als voor de twee of vier extra banden die u toevoegt wanneer u een aanhanger trekt. Dat komt omdat, voor zover het de wetten van de fysica betreft, wanneer uw aanhangwagen is aangesloten op uw vrachtwagen, deze als een enkele eenheid wordt beschouwd. De massa van de vrachtwagen en de massa van de trailer delen een gecombineerde massa. Hierdoor blijft gewichtsverdeling belangrijk. Als het goed wordt verdeeld, zullen de banden -- of het er nu vier, zes, acht of vijftig zijn -- allemaal evenveel wrijving ondervinden als ze de drempel overschrijden en versnellen.
Dus hoe kan een vrachtwagen van 5.000 pond een lading van 10.000 pond trekken? Het korte antwoord is dat het niet kan, tenzij het de juiste soort hapering heeft. Als u de gebruikershandleiding van uw vrachtwagen raadpleegt, ziet u dat uw vrachtwagen twee sleepcapaciteiten heeft:één voor eigen gewicht en één voor getrokken gewicht. U zult ook merken dat het eigen gewicht ongeveer hetzelfde gewicht is als uw vrachtwagen, terwijl het getrokken gewicht ongeveer drie keer zo hoog is. De reden is dat het trekgewicht een speciale trekhaak vereist die -- je raadt het al -- het gewicht van de aanhanger verdeelt over de wielen van de aanhanger en de vrachtwagen.
Het extra gewicht van de aanhanger vereist wel dat de motor van het busvoertuig harder moet werken om meer koppel te produceren dan nodig is wanneer de bus onbelast rijdt. Maar als het gewicht goed wordt verdeeld over zowel de aanhanger als het busvoertuig, is de statische wrijving voor elke band gelijk. Dus of het nu gaat om een vrachtwagen met een gewicht van 5.000 pond die over de weg rijdt, of een die een lading van 10.000 pond trekt, zolang de motor voldoende koppel kan produceren om de aandrijfwielen te laten draaien zonder de rollende wrijving op de weg te overwinnen, zullen alle andere wielen volgen.
Bezoek de volgende pagina voor meer informatie over slepen en andere gerelateerde onderwerpen.
BedanktSpeciale dank aan Dr. William Skocpol en Craig Freudenrich, Ph.D. voor hun hulp bij dit artikel!
