Was ist die Ursache für Rollreibung? & warum ist es weniger als Gleitreibung?

"Rollreibung" ist eine falsche Bezeichnung. Lassen Sie sich davon niemals verwirren. Es ist keine Reibung. Sein ROLLWIDERSTAND – der richtige Name. Es kommt ins Spiel, weil Objekte im wirklichen Leben nicht perfekt starr sind. Es kommt wegen der Formverformung von Objekten bei Kontakt ins Spiel. Wenn ein Objekt auf einem anderen rollt, OHNE zu rutschen, gibt es einen Oberflächenkontakt zwischen ihnen.

Es ist die normale Reaktion, die dafür verantwortlich ist. Sehen Sie sich das Diagramm an. Ein solcher rollender Körper (im Diagramm) wird verformt und die Normalkräfte auf die vorderen Teile der Oberfläche sind immer größer (ob die Straße hart oder weich ist) und führt zu einer Netto-Rückwärtskraft, die den rollenden Körper allmählich stoppt. Die Verformung hängt von der Art der beiden Körper ab, abhängig von ihrer Steifigkeit. Der Rollwiderstand ist normalerweise geringer als die Haftreibung. Beide werden in derselben Form ausgedrückt, wobei die Koeffizienten Rollwiderstandskoeffizient und Haftreibungskoeffizient genannt werden. Experimentell wurde festgestellt, dass der Rollwiderstandskoeffizient kleiner als der Haftreibungskoeffizient für Körper mit derselben Masse ist. Koeffizienten werden experimentell bestimmt.

Es gibt mehrere Komponenten zur "Rollreibung".

Zunächst einmal gibt es das Radlager, das zwangsläufig etwas Reibung hat (obwohl ein gut konstruiertes Lager sehr wenig hat).

Wenn als nächstes gewöhnliche Luftreifen (oder einfach Hartgummireifen) verwendet werden, führt das Gewicht der "Ladung" dazu, dass sich der Gummi verformt. Gummi ist ein „viskoelastisches“ Material, was bedeutet, dass beim Biegen Energie in Form von Wärme verloren geht. Diese verlorene Energie muss wiederum "ersetzt" werden, indem dem rollenden Rad Energie entzogen wird (dh Reibung).

Wenn sich der Reifen biegt, "windet" sich der Gummi weiter und reibt an der Fahrbahn. Dieses "Squirm" ist umso schlimmer, je mehr sich der Reifen biegt, und wird auch durch das Querschnittsprofil des Reifens beeinflusst.

Wenn das Rad andererseits härter als die Straße ist, biegt sich die Straße, und praktisch alle Pflastermaterialien (insbesondere Asphalt) absorbieren Energie, wenn sie sich biegen, ähnlich wie Gummi.

Wenn schließlich die Straße und das Rad perfekt hart sind, führt jede Unebenheit der Straße (oder der Peripherie des Rads) dazu, dass die Ladung auf und ab springt. Die meisten Lasten (insbesondere Menschen) werden sich biegen, wenn sie auf und ab gehen, und Energie geht aufgrund unvollkommener Elastizität verloren.

Die verlorene Energie (und damit die Reibung) kann minimiert werden, indem ein Reifen mit sehr dünnen Wänden verwendet wird, sodass praktisch die gesamte Biegung in der Luft des Reifens auftritt (mit sehr geringem Verlust). ein Reifendruck, der hoch genug ist, um das Durchbiegen des Reifens zu minimieren, aber niedrig genug, dass das Durchbiegen der Fahrbahn und das Springen der Last minimiert werden. Natürlich ist eine solche Reifenkombination möglicherweise nicht ideal für Traktion und Haltbarkeit, noch wird sie unbedingt eine komfortable Fahrt erzeugen.

(Beachten Sie, dass Eisenbahnen im Wesentlichen einen "perfekt" harten "Reifen" und auch eine "perfekt" harte "Fahrbahn" haben. Wenn die Schienen glatt und durchgehend geschweißt sind, ist die Rollreibung um ein Vielfaches geringer als beispielsweise bei LKW-Reifen auf einer Fahrbahn. Fügen Sie die Tatsache hinzu, dass der Windwiderstand verringert wird, weil die Autos aneinandergereiht sind, und Sie können sehen, dass der Schienenverkehr ziemlich energieeffizient ist.)

Zunächst einmal denke ich, dass es besser ist, dass wir Freikörperdiagramme zeichnen und Bewegungsgleichungen schreiben, die sich beispielsweise auf ein Motorrad beziehen. Bedenken Sie, dass sich das Motorrad mit Beschleunigung bewegt$a$auf einer starren Straße. Angenommen, das Rad des Motorrads ist ebenfalls starr. Hinterrad ist Mitnehmer. ($T_e$ist Motordrehmoment und$R$ist der Radius der Räder) Das Freikörperdiagramm für das Hinterrad ist wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Es gibt nicht immer weiche Straßen. Was passiert auf der harten Straße?

Reibung verhindert immer eine Relativbewegung von Kontaktflächen. Das Antriebsrad (im obigen Fall das Hinterrad) neigt dazu, sich aufgrund des vom Motor ausgeübten Drehmoments zu drehen ($T_e$). Also Reibungskraft ($f_r$) wirkt in eine Richtung, die der Rotation des Rades entgegenwirkt . Das angetriebene Rad (Vorderrad im obigen Fall) neigt dazu, sich aufgrund der vom Fahrgestell darauf übertragenen Kraft zu verschieben ($F_2$). Also Reibungskraft ($f_f$) wirkt in eine Richtung, um der Übersetzung des Rades entgegenzuwirken . Wir können all dies in den obigen Diagrammen sehen, ohne anzunehmen, dass die Straße weich ist.

Wie sorgt der Kamm für Rollreibung in der entgegengesetzten Rollrichtung?

Wie Sie in Freikörperdiagrammen der Räder sehen können, besteht keine Notwendigkeit, einen Kamm für das Vorhandensein von Reibungskräften zu haben. Es reicht aus, dass zwei Körper in Kontakt sind und dazu neigen, sich relativ zueinander zu bewegen.

Warum ist die Rollreibung kleiner als die Gleitreibung?

Ich bin nicht einverstanden. Rollreibung ist nicht immer kleiner als Gleitreibung . Weil Rollreibung Haftreibung ist, während Gleitreibung Bewegungsreibung ist, und wir wissen es$\left(f_s\right)_{\textrm{max}}\gt f_k$. Wahrscheinlich bedeutet das Buch „ normalerweise ist die Rollreibung kleiner als die maximale Haftreibung ($\left(f_s\right)_{\textrm{max}}$) und Gleitreibung ($f_k$)“. Aber es ist nicht so immer. Zur Überprüfung benötigen wir Zahlenangaben. Leider konnte ich nicht viele Informationen finden, aber indem wir Hilfe von einigen Daten erhalten, die ich auf den folgenden Websites gefunden habe, können wir einen einfachen Vergleich durchführen.

$\mu_s$und$\mu_k$aus: https://en.wikibooks.org/wiki/Physics_Study_Guide/Frictional_coefficients

Maximales Drehmoment, Motorradmasse und Radradius von: http://www.yamaha-motor.eu/eu/products/motorcycles/hyper-naked/mt-10.aspx?view=featurestechspecs

Betrachten Sie zuerst eine gleichförmige Bewegung auf einer geraden Linie (ich denke, das Buch hat diesen Fall erwähnt). Angenommen, ein Yamaha MT-10 Motorrad bewegt sich mit seinem maximalen Drehmoment in einer konstanten Geschwindigkeit (Höchstgeschwindigkeit). Nehmen Sie außerdem an, dass die Fahrermasse ist$60\;\mathrm{kg}$. Aus Gleichung$4$, wie$\alpha=0$, wir haben

$\left(T_e\right)_{max}=111\;\mathrm{Nm}$

$R=0.22\;\mathrm m$

$M=270\;\mathrm{kg}$($M$ist die Summe der Motorrad- und Fahrermassen)

$\mu_s=0.85$

$\mu_k=0.67$

Wir erhalten also

$N_r=\large{\frac{Mg}2}=1350\;\mathrm N$

und somit

$\left(f_s\right)_{\textrm {max}}=\mu_sN_r=1148\;\mathrm N$

Und

$f_k=\mu_kN_r=905\mathrm N$

Also offensichtlich$f_r$ist viel weniger als$f_k$und$\left(f_s\right)_{\textrm {max}}$

Es besteht keine Notwendigkeit für Berechnungen zum Vergleichen in einem Fall, in dem sich das Motorrad mit Beschleunigung bewegt. Denn wenn der Fahrer die maximal mögliche Beschleunigung verwendet, um die Bewegung aus der Ruhe zu starten, ohne zu rutschen; dann sicher$f_r$wird werden$\mu_sN_r$das ist offensichtlich größer als$\mu_kN_r$

Sie können behaupten, dass „es möglich ist, dass, wenn wir diese maximale Beschleunigung berechnen, indem wir annehmen$f_r=\mu_sN_r$, es ist nicht mit maximalem Motordrehmoment vergleichbar”. Dh die mögliche Maximalbeschleunigung garantiert das nicht$f_r=\mu_sN_r$. Diese Behauptung ist gültig und Sie können sie anhand numerischer Daten überprüfen (falls vorhanden), aber wir wissen experimentell, dass das Hinterrad sicherlich rutscht, wenn wir den Gashebel zu stark und plötzlich drehen (beachten Sie, dass wir eine Yamaha MT-10 haben! )

Stellen Sie sich ein Rad vor, das sich im Uhrzeigersinn dreht (das Auto bewegt sich nach rechts). Am Kontaktpunkt mit dem Boden bewegt sich dieser Punkt auf dem Rad nach links, sodass die Reibung nach rechts gerichtet ist (das ist es, was das Auto tatsächlich vorwärts bewegt).

Warum die Rollreibung normalerweise größer ist als die statische. Denn die Haftreibung (Rollreibung ist eine Form der Haftreibung) kann einen maximalen Wert von bis zu haben$\mu_{static} N$. Es bis zu, aber normalerweise weniger. Stellen Sie sich eine auf einem Tisch ruhende Masse vor, auf die keine horizontalen Kräfte einwirken. In einem solchen Fall ist die Haftreibung Null und steigt bis zu einem Maximum an, wenn Sie beginnen, die Masse horizontal zu drücken. Sobald die maximale Haftreibung erreicht ist, beginnt sich die Masse zu bewegen. Nun ist die Reibung die dynamische, und sie ist konstant$F_{sliding}=\mu_{dynamic}N$. Normalerweise$\mu_{dynamic}<\mu_{static}$, die Gleitreibung ist also meist kleiner als die maximal mögliche Haftreibung.

Rollreibung hat im Gegensatz zu Haft- und Gleitreibung einen komplexen Ursprung. Während des Rollens werden die Kontaktflächen vorübergehend ein wenig, und dies führt dazu, dass ein Donnie (kein Punkt) des Körpers mit der Oberfläche in Kontakt steht. Der Nettoeffekt besteht darin, dass die Komponente der Kontraktionskraft parallel zur Oberfläche der Bewegung entgegenwirkt.