Frage zur Kreisbewegung – Auto dreht sich auf der Straße

Nehmen wir an, ein Auto biegt auf einer Straße mit Reibung ab. Ich habe dieses kleine Diagramm gemachtGeben Sie hier die Bildbeschreibung ein

wobei die beiden parallelen Linien die Reifen des Autos anzeigen. Damit sich das Auto im Kreis dreht, muss eine Kraft auf den Krümmungsmittelpunkt gerichtet sein – die Zentripetalkraft. Ich habe gelesen, dass diese Kraft durch Reibung entsteht.

Damit es jedoch eine Reibungskraft zum Zentrum hin gibt, muss es nicht eine Kraft geben, die direkt vom Zentrum wegzieht, da Reibungskräfte nicht von selbst existieren können – sie müssen wirken, um einem Gegenteil entgegenzuwirken Gewalt.

Wie kann es also eine Reibungskraft zum Zentrum geben, ohne dass eine entsprechende Kraft vom Zentrum wegzieht? Hat das etwas mit der Pseudo-Zentrifugalkraft zu tun? Woher genau kommt diese Reibungskraft? Und warum ist die Reibungskraft zur Mitte gerichtet? Müsste sie nicht entgegen der Fahrtrichtung sein, in die das Auto gerade fährt – also entgegen der Tangentialrichtung?

Antworten (2)

Reibungskräfte wirken als Reaktion und entgegengesetzt zur Geschwindigkeit , nicht zur Kraft (das wären Normalkräfte ).

Das Auto hat eine lineare Geschwindigkeit in Vorwärtsrichtung und bewegt sich unbegrenzt weiter, wobei jegliche Restreibung ignoriert wird. Wenn dann das Lenkrad nach links gedreht wird, werden die Vorderreifen nach links gedreht, wodurch eine Reibungskraft senkrecht zu diesen Reifen auftritt. Diese Kraft wird wie jede andere Reibung durch den Widerstand der Reifen verursacht. Das Interessante ist, dass sich Reifen nur in eine Richtung frei drehen können, aber nicht in der Senkrechten. Somit tritt die Reibung nur in dieser nicht drehenden Richtung auf.

Diese Kraft zeigt nicht senkrecht zum Auto, sondern senkrecht zu den Reifen. Der Unterschied ist gering, da der tatsächliche Winkel, um den die Reifen gedreht werden, ziemlich klein ist, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten. Sobald das Auto von der geraden Linie gedreht wird, tritt auch in den Hinterreifen eine kleine seitliche Reibung auf, da die Geschwindigkeit nicht mehr mit der Achse der Reifen ausgerichtet ist.

Kraftdiagramm

Aber in Ihrem Diagramm ist die Geschwindigkeit der Autos (und der Reifen) immer noch in Vorwärtsrichtung. Sollte die Reibungskraft also nicht nach hinten gehen, nicht senkrecht?
@ user2612743: Ich habe ein bisschen mehr Erklärung hinzugefügt. Lass mich noch eine Zeichnung machen...
Ich sehe, dass es tatsächlich eine Seitenkraft geben wird, aber es scheint, dass der Betrag zu gering wäre, um eine sinnvolle Reibungskraft zu erzeugen. Außerdem würde es immer noch Reibung in der Richtung geben, die der nicht seitlichen (Vorwärts-) Geschwindigkeit entgegengesetzt ist, oder? Eine letzte Frage – ob Friction forces act as a response, and opposite, to velocity, not forceauf ein Objekt auf einer geneigten Ebene immer noch Reibung wirkt, aber keine Geschwindigkeit (es gibt jedoch eine Kraft, die es aufgrund der Schwerkraft die Rampe hinunterzieht). Ist es in diesem Fall also nicht eine Reaktion auf Gewalt?
@user2612743: Die Reibung in Vorwärtsrichtung ist sehr gering, da sich die Räder drehen und ihre Achse geschmiert wird. Die andere Kraft ist relativ klein, aber ausreichend, um die Reifen mehr oder weniger in ihre Richtung zu bewegen und das Auto herumfahren zu lassen.
Ok, verstanden - Was ist mit der letzten Frage in meinem obigen Kommentar: Wenn Frictional forces act as a response, and opposite, to velocity, not forceauf ein Objekt auf einer geneigten Ebene immer noch Reibung einwirkt, aber keine Geschwindigkeit (es gibt jedoch eine Kraft, die es aufgrund der Schwerkraft die Rampe hinunterzieht ). Ist es in diesem Fall also nicht eine Reaktion auf Gewalt?
@ user2612743: Wegen der letzten Frage ... nun, ja, da hast du mich verstanden. Reibung ist eine Kraft, die der Bewegung entgegenwirkt. Auch Normalkräfte sind in diesem Zusammenhang eine Art Reibung. Die Reibung, von der Sie sprechen ( Statik ), wirkt immer einer Kraft entgegen, die eine Bewegung ausführen würde, um diese Bewegung zu verhindern, aber sie wird niemals eine eigene Beschleunigung erzeugen. Die Reibung, von der ich spreche ( dynamisch ), arbeitet immer gegen die Geschwindigkeit und versucht, das Objekt zum Stillstand zu bringen.

Etwas, das sich mit konstanter Geschwindigkeit im Kreis bewegt, erfährt eine konstante Beschleunigung nach innen. Aus F = mA wissen wir, dass dies eine Kraft auf ein Objekt erfordert, um es zu beschleunigen, und dass die Kraft proportional zur Masse des Objekts und der Beschleunigung ist.

Im Falle eines Autos, das mit konstanter Geschwindigkeit im Kreis fährt, kommt diese Kraft vom Boden, der die Reifen radial nach innen drückt. Diese Kraft wird durch die Reibung der Reifen am Boden ermöglicht. Es gibt keine entsprechende Kraft, die das Auto nach außen drückt, obwohl manchmal die fiktive "Zentifugalkraft" herangezogen wird, um dies zu rationalisieren. Die einzigen Kräfte auf das Auto sind der Boden, der nach oben drückt, um der Schwerkraft entgegenzuwirken, und der Boden, der nach innen drückt, um die Kraft für seine radial nach innen gerichtete Beschleunigung bereitzustellen.

Wenn ein Teil des Kreises, über den das Auto fuhr, durch einen eisigen Fleck ersetzt würde (ideale Reibung 0), dann würde das Auto aufhören, im Kreis zu fahren, und auf der Tanget weiterfahren, auf der es sich befand, als es auf den eisigen Fleck traf.

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