По какой-то особой причине в мире большое внимание уделяется именно скорости разгона автомобиля с 0 до 100 км/час (в США с 0 до 60 миль в час). Эксперты, инженеры, любители спортивных автомобилей а также и простые автолюбители с какой-то одержимостью постоянно следят за технической характеристикой автомобилей, которая как правило раскрывает динамику разгона автомобиля с 0 до 100 км/час. Причем весь этот интерес наблюдается не только к спортивным автомобилям для которых динамика разгона с места является очень важным значением, но и к совсем обычным автомобилям эконом-класса.
В наши дни наибольший интерес к динамике разгона направлен на электрические современные автомобили, которые начали потихоньку вытеснять из авто ниши спортивные суперкары с их невероятной скоростью разгона. Вот например, еще несколько лет назад казалось просто фантастикой, что автомобиль может разгоняться до 100 км/час чуть-более чем за 2 секунды. Но сегодня некоторые современные уже вплотную приблизились к этому показателю.
Это естественно заставляет задуматься: А какая скорость разгона автомобиля с 0 до 100 км/час опасна для здоровья самого человека? Ведь чем быстрее разгоняется автомобиль, тем больше нагрузки испытывает водитель, что находится (сидит) за рулем.
Согласитесь с нами, что человеческий организм имеет свои определенные пределы и не может выдержать бесконечные нарастающие нагрузки, которые действуют и оказывают на него при быстром разгоне транспортного средства, определенное воздействие. Давайте вместе с нами узнаем, а какой предельный разгон автомобиля может теоретически ну и практически выдержать человек.
Ускорение, как все мы наверно знаем, это простое изменение скорости движения тела за единицу взятого времени. Ускорение любого объекта находящегося на земле зависит, как правило, от силы тяжести. Сила тяжести - это сила, действующая на любое материальное тело, которое находится вблизи к поверхности земли. Сила тяжести на поверхности земли складывается из гравитации и центробежной силы инерции, которая возникает из-за вращения нашей планеты.
Если мы хотим быть совсем уж точными, то перегрузка человека в 1g сидящего за рулем автомобиля образуется при ускорении машины с 0 до 100 км/час за 2,83254504 секунды.
И так, мы знаем, что при перегрузке в 1g
человек не испытывает на себе ни каких проблем. Например, серийный автомобиль Tesla Model S (дорогая спецверсия) с 0 до 100 км/час может разгоняться за 2,5 секунды (согласно спецификации). Соответственно, водитель находящийся за рулем этого автомобиля при разгоне будет испытывать перегрузку в 1.13g
.
Это уже как мы видим, больше чем перегрузка, которая испытывается человеком в обычной жизни и которая возникает из-за гравитации а также из-за движения планеты в пространстве. Но это совсем немного и перегрузка не представляет для человека никакой опасности. Но, если мы сядем за руль мощного драгстера (спортивного автомобиля), то картина здесь уже получается совершенно иная, так как мы с вами наблюдаем уже иные цифры перегрузки.
Например, самый быстрый может разгоняться с 0 до 100 км/час всего за 0,4 секунды. В итоге получается, что это ускорение вызывает перегрузку внутри машины в 7.08g . Это уже, как вы видите, немало. За рулем такого сумасшедшего транспорта вы будете чувствовать себя не очень-то комфортно, и все из-за того, что ваш вес увеличится по сравнению с прежним почти в семь раз. Но не смотря на такое не очень-то комфортное состояние при такой динамике разгона, эта (данная) перегрузка не способна вас убить.
Так как же тогда автомобиль должен разогнаться, чтобы убить человека (водителя)? На самом деле ответить однозначно на такой вопрос нельзя. Дело тут в следующем. Каждый организм у любого человека сугубо индивидуален и естественно, что последствия воздействия на человека определенных сил будут тоже совершенно разными. Для кого-то перегрузка в 4-6g даже на несколько секунд уже будет (является) критичной. Такая перегрузка может привести к потере сознания и даже к гибели этого человека. Но обычно подобная перегрузка для многих категорий людей не опасна. Известны случаи, когда перегрузка в 100g позволяла человеку выжить. Но правда, это очень большая редкость.
Ускорение - величина изменения скорости тела в единицу времени. Другими словами, ускорение - это скорость изменения скорости.
A - ускорение, м/c 2
t - интервал изменения скорости, c
V 0 - начальная скорость тела, м/c
V - конечная скорость тела, м/c
Пример использования формулы.
Автомобиль разгоняется от 0 до 108км/ч (30м/с) за 3 секунды.
Ускорение, с которым разгоняется автомобиль, равно:
a = (V-V o)/t = (30м/с – 0) / 3c = 10м/с 2
Другая, более точная, формулировка гласит: ускорение равно производной от скорости тела: a=dV/dt
Термин ускорение — один из самых важных в физике. Ускорение используется в задачах на разгон, торможение, броски, выстрелы, падения. Но, в то же время, этот термин один из самых трудных для понимания, в первую очередь, потому что единица измерения м/c 2 (метр в секунду за секунду) не используется в повседневной жизни.
Прибор для измерения ускорения называется акселерометром. Акселерометры, в виде миниатюрных микрочипов, используются во многих смартфонах и позволяют определить силу, с которой пользователь воздействует на телефон. Данные о силе воздействия на устройство, позволяют создавать мобильные приложения, которые реагируют на поворот экрана и на встряску.
Реакция мобильных устройств на поворот экрана, обеспечивается именно акселерометром — микрочипом, измеряющим ускорение движения устройства.
Примерная схема акселерометра показана на рисунке. Массивный грузик, при резких движениях, деформирует пружины. Измерение деформации при помощи конденсаторов (либо пъезоэлементов) позволяет вычислить силу воздействия на грузик и ускорение.
Зная деформацию пружины, при помощи закона Гука (F=k∙Δx) можно найти силу, действующую на грузик, а зная массу грузика, используя второй закон Ньютона (F=m∙a), можно найти ускорение грузика.
На плате телефона IPhone 6, акселерометр помещается в микрочипе размером всего 3 мм на 3 мм.
Скорость автомобиля, разгоняющегося с места старта по прямолинейному отрезку пути длиной км с постоянным ускорением км/ч 2 , вычисляется по формуле . Определите наименьшее ускорение, с которым должен двигаться автомобиль, чтобы, проехав километра, приобрести скорость не менее км/ч. Ответ выразите в км/ч 2 .
Решение задачи
В данном уроке демонстрируется пример вычисления наименьшего ускорения автомобиля при заданных условиях. Данное решение можно использовать с целью успешной подготовки к ЕГЭ по математике, в частности, при решении задач типа В12.
Условием задана формула определения скорости автомобиля: при известной длине пути и постоянном ускорении . Для решения задачи все известные величины подставляются в приведенную формулу определения скорости. В результате, получается иррациональное неравенство с одним неизвестным . Так как обе части данного неравенства больше нуля, они возводятся в квадрат согласно основному свойству неравенства. Выразив из полученного линейного неравенства величину , определяется диапазон ускорения. Согласно условию задачи, нижняя граница данного диапазона и является искомым наименьшим ускорением автомобиля при заданных условиях.
Независимо от того, кто находится за рулем автомобиля - опытный водитель с двадцатилетним стажем или новичок, только вчера получивший свои долгожданные права, - на дороге в любой момент может произойти аварийная ситуация из-за:
- нарушения ПДД каким-либо участником дорожного движения;
- неисправного состояния транспортного средства;
- внезапного появления на дороге человека или животного;
- объективных факторов (плохая дорога, плохая видимость, падение на дорогу камней, деревьев и т. д.).
Безопасная дистанция между автомобилями
Согласно п. 13.1 Правил дорожного движения, водителю необходимо держаться от впереди идущего транспортного средства на достаточном расстоянии, которое позволит ему вовремя затормозить.
Несоблюдение дистанции является одной из главных причин транспортных аварий.
При резкой остановке впереди идущего транспорта у водителя автомобиля, вплотную следующего за ним, нет времени для торможения. В результате происходит столкновение двух, а иногда и более транспортных средств.
Для определения безопасного расстояния между машинами во время движения рекомендуется брать целое числовое значение скорости. Например, скорость автомобиля - 60 км/час. Значит, дистанция между ним и впереди идущим транспортным средством должна быть равна 60 метрам.
Возможные последствия столкновений
Согласно результатам технических испытаний, сильный удар движущегося автомобиля о какое-либо препятствие по силе соответствует падению:
- при 35 км/ч - с 5-метровой высоты;
- при 55 км/ч - 12 метров (с 3-4 этажа);
- при 90 км/ч - 30 метр (с 9 этажа);
- при 125 км/ч - 62 метр.
Понятно, что столкновение транспортного средства с другим автомобилем или иным препятствием даже при небольшой скорости угрожает людям травмой, а в самом худшем случае - и гибелью.
Поэтому при возникновении аварийных ситуаций необходимо предпринять все возможное для предотвращения подобных столкновений и выполнить объезд препятствия или экстренное торможение.
Чем отличается тормозной путь от остановочного
Остановочный путь - дистанция, которую проедет машина за период от момента обнаружения водителем препятствий до окончательного прекращения движения.
Он включает в себя:
От чего зависит тормозной путь
Ряд факторов, влияющих на его длину:
- скорость срабатывания тормозной системы;
- скорость движения транспортного средства в момент торможения;
- тип дороги (асфальт, грунтовая, гравийная и т. д.);
- состояние покрытия дороги (после дождя, гололедица и т. д.);
- состояние шин (новые или с изношенным протектором);
- давление в шинах.
Тормозной путь легкового автомобиля прямо пропорционален квадрату его скорости. То есть, при увеличении скорости в 2 раза (с 30 до 60 километров в час) длина тормозного пути возрастает в 4 раз, в 3 раза (90 км/час) - в 9 раз.
Экстренное торможение
Экстренным (аварийным) торможением пользуются при возникновении опасности наезда или столкновения.
Не следует слишком резко и сильно нажимать на тормоз - в этом случае блокируются колеса, машина теряет управление, начинается ее скольжение по трассе «юзом».
Симптомы заблокированных колес во время торможения:
- появление вибрации колес;
- уменьшение торможения автомобиля;
- появление скребущего или визжащего звука от покрышек;
- у машины возник занос, она не реагирует на движения руля.
ВАЖНО: Если есть возможность, необходимо сделать предупреждающее торможение (полсекунды) для машин, следующих сзади, на мгновенье отпустить педаль тормоза и тут же начать экстренное торможение.
Типы экстренного торможения
1. Прерывистое торможение - нажать на тормоз (не допуская блокировки колес) и полностью отпустить. Так повторять до полной остановки машины.
В момент отпускания педали тормоза нужно выравнивать направление движения, чтобы избежать заноса.
Прерывистым торможением также пользуются при езде по скользкой или неровной дороге, торможении перед ямками или ледяными участками.
2. Ступенчатое торможение - нажать на тормоз до появления блокировки одного из колес, затем сразу ослабить давление на педаль. Повторять так до полного прекращения движения машины.
В момент ослабления нажатия на педаль тормоза нужно выравнивать рулем направление движения, чтобы избежать заноса.
3. Торможение двигателем на автомобилях с механической коробкой передач - нажать на сцепление, перейти на более низкую передачу, снова на сцепление и т. д., поочередно понижая до самой низшей.
В особых случаях можно понижать передачу не по порядку, а сразу на несколько.
4. Торможение при наличии ABS: если легковой автомобиль имеет автоматическую коробку передач, при экстренном торможении необходимо с максимальной силой нажимать на тормоз до полной остановки, а на машинах с механической коробкой передач - одновременно сильно давят на педали тормоза и сцепления.
При срабатывании системы ABS будет подергиваться педаль тормоза и появится хрустящий звук. Это нормально, необходимо продолжать изо всех сил давить на педаль, пока автомобиль не остановится.
ЗАПРЕЩЕНО: Во время экстренного торможения пользоваться стояночным тормозом - это приведет к развороту автомобиля и неконтролируемому заносу из-за полной блокировки колёс машины.
Красный свет светофора сменился желтым, затем зеленым. С напряженным ревом срываются с места машины, затем звук двигателей на мгновение стихает - это водители отпустили педаль подачи топлива и переключают передачи, снова разгон, снова момент затишья и опять разгон. Только метров через 100 после перекрестка поток машин как бы успокаивается и плавно катит до следующего светофора. Лишь один старый автомобиль «Москвич» прошел перекресток ровно и бесшумно. На рисунке видно, как он обогнал все автомобили и вырвался далеко вперед. Этот автомобиль подъехал к перекрестку как раз в тот момент, когда зажегся зеленый сигнал светофора, водителю не пришлось тормозить и останавливать машину, не пришлось после этого снова брать разгон. Как же получается, что один автомобиль (да еще маломощный «Москвич» старого выпуска) легко, без напряжения движется со скоростью около 50 км/час, в то время как другие с явным напряжением постепенно набирают скорость и достигают скорости 50 км/час далеко после перекрестка, когда «Москвич» уже приближается к следующему светофору? Очевидно, что для равномерного движения требуется значительно меньше усилий и расхода мощности, чем при разгоне или, как говорят, при ускоренном движении.
Рис. Сравнительно слабый автомобиль может обогнать более мощные, если он подходит к перекрестку в момент включения зеленого света и не затрачивает усилий на трогание с места и разгон.
Но прежде чем изучать разгон автомобиля, нужно вспомнить некоторые понятия.
Ускорение автомобиля
Если автомобиль проходит в каждую секунду одинаковое число метров, движение называется равномерным или установившимся. Если пройденный автомобилем путь в каждую секунду (скорость) изменяется, движение называется:
- при увеличении скорости - ускоренным
- при уменьшении скорости - замедленным
Приращение скорости в единицу времени называют ускорением , уменьшение скорости в единицу времени - отрицательным ускорением , или замедлением.
Ускорение измеряют приростом или убыванием скорости (в метрах в секунду) за 1 сек. Если за секунду скорость увеличивается на 3 м/сек, ускорение равно 3 м/сек в секунду или 3 м/сек/сек или 3 м/сек2.
Ускорение обозначают буквой j.
Ускорение, равное 9,81 м/сек2 (или округленно, 10 м/сек2), соответствует ускорению, которое, как известно из опыта, имеет свободно падающее тело (без учета сопротивления воздуха), и называется ускорением силы тяжести. Его обозначают буквой g.
Разгон автомобиля
Разгон автомобиля обычно изображают графически. На горизонтальной оси графика откладывают путь, а на вертикальной - скорость и наносят точки, соответствующие каждому пройденному отрезку пути. Вместо скорости на вертикальной шкале можно откладывать время разгона, как это показано на графике разгона отечественных автомобилей.
Рис. График пути разгона.
График разгона представляет собой кривую с постепенно убывающим углом наклона. Уступы кривой соответствуют моментам переключения передач, когда ускорение на какой-то момент падает, однако их часто не показывают.
Инерция
Автомобиль не может с места развить сразу большую скорость, потому что ему приходится преодолевать не только силы сопротивления движению, но и инерцию.
Инерция - это свойство тела сохранять состояние покоя или состояние равномерного движения. Из механики известно, что неподвижное тело может быть приведено в движение (или скорость движущегося тела изменена) только под действием внешней силы. Преодолевая действие инерции, внешняя сила изменяет скорость тела, иначе говоря, придает ему ускорение. Величина ускорения пропорциональна величине силы. Чем больше масса тела, тем большей должна быть сила для придания этому телу нужного ускорения. Масса - это величина, пропорциональная количеству вещества в теле; масса т равна весу тела G, деленному на ускорение силы тяжести g (9,81 м/сек2):
m = G / 9,81, кг/(м/сек2)
Масса автомобиля сопротивляется разгону с силой Pj, эту силу называют силой инерции. Чтобы разгон мог произойти, на ведущих колесах нужно создать дополнительно силу тяги, равную силе инерции. Значит, сила, необходимая для преодоления инерции тела и для придания телу определенного ускорения j, оказывается пропорциональной массе тела и ускорению. Эта сила равна:
Pj = mj = Gj / 9,81, кг
Для ускоренного движения автомобиля требуется дополнительная затрата мощности:
Nj = Pj*Va / 75 = Gj*Va / 270*9,81 = Gj*Va / 2650, л.с.
Для точности расчетов в уравнения (31) и (32) следует включить множитель б («дельта») - коэффициент вращающихся масс, учитывающий влияние вращающихся масс автомобиля (особенно маховика двигателя и колес) на разгон. Тогда:
Nj = Gj*Va*б / 2650, л.с.
Рис. Графики времени разгона отечественных автомобилей.
Влияние вращающихся масс заключается в том, что, кроме преодоления инерции массы автомобиля, необходимо «раскрутить» маховик, колеса и другие вращающиеся части машины, затратив на это часть мощности двигателя. Величину коэффициента б можно считать приблизительно равной:
б = 1,03 + 0,05*ik^2
где ik - передаточное число в коробке передач.
Теперь, взяв для примера автомобиль с полным весом 2000 кг, нетрудно сравнить силы, необходимые для поддержания движения этого автомобиля по асфальту со скоростью 50 км/час (пока без учета сопротивления воздуха) и для трогания его с места с ускорением около 2,5 м/сек2, обычным для современных легковых автомобилей.
Согласно уравнению:
Pf = 2000*0,015 = 30, кг
Для преодоления сопротивления инерции на высшей передаче (ik = 1) потребуется сила:
Pj = 2000*2,5*1,1 / 9,81 = 560, кг
Такой силы на высшей передаче автомобиль не может развить, нужно включить первую передачу (с передаточным числом ik = 3).
Тогда получим:
Pj = 2000*2,5*1,5 / 9,81 = 760, кг
что для современных легковых автомобилей вполне возможно.
Итак, сила, необходимая для трогания с места, оказывается в 25 раз больше силы, необходимой для поддержания движения с постоянной скоростью 50 км/час.
Чтобы обеспечить быстрый разгон автомобиля, требуется устанавливать двигатель большой мощности. При движении с постоянной скоростью (кроме максимальной) двигатель работает не в полную мощность.
Из сказанного выше понятно, почему при трогании с места нужно включать низшую передачу. Попутно отметим, что на грузовых автомобилях обычно следует начинать разгон на второй передаче. Дело в том, что на первой передаче (ik примерно равно 7.) очень велико влияние вращающихся масс и тяговой силы не хватит, чтобы сообщить автомобилю большое ускорение; разгон получится очень медленным.
На сухой дороге при коэффициенте сцепления ф, равном около 0,7, трогание с места на низшей передаче не вызывает никаких затруднений, так как сила сцепления все еще превышает тяговую силу. Но на скользкой дороге может часто оказаться, что тяговая сила на низшей передаче больше силы сцепления (особенно при ненагруженном автомобиле), и колеса начинают буксовать. Из этого положения есть два выхода:
- уменьшить силу тяги троганием с места при малой подаче топлива или на второй передаче (для грузовых автомобилей - на третьей);
- увеличить коэффициент сцепления, т. е. подсыпать под ведущие колеса песок, подложить ветки, доски, тряпки, надеть на колеса цепи и т. д.
При разгоне особенно сказывается разгрузка передних колес и дополнительная нагрузка задних. Можно наблюдать, как в момент трогания с места автомобиль заметно, а иногда и очень резко «приседает» на задние колеса. Это перераспределение нагрузки происходит и при равномерном движении автомобиля. Оно объясняется противодействием вращающему моменту. Зубья ведущей шестерни главной передачи давят на зубья ведомой (коронной) и как бы прижимают заднюю ось к земле; при этом возникает реакция, отталкивающая ведущую шестерню вверх; происходит небольшое поворачивание всего заднего моста в направлении, обратном направлению вращения колес. Закрепленные на картере моста рессоры своими концами приподнимают переднюю часть рамы или кузова и опускают заднюю. Между прочим отметим, что именно вследствие разгрузки передних колес их легче повернуть во время движения автомобиля с включенной передачей, чем во время движения накатом, а тем более чем на стоянке. Это знает каждый водитель. Однако вернемся к дополнительно нагруженным задним колесам.
Дополнительная, прибавочная нагрузка на задние колеса Zd от передаваемого момента тем больше, чем больше момент Мк, подведенный к колесу и чем короче колесная база автомобиля L (в м):
Естественно, что эта нагрузка особенно велика при движении на низших передачах, так как подводимый к колесам момент увеличен. Так, на автомобиле ГАЗ-51 дополнительная нагрузка на первой передаче равна:
Zd = 316/3,3 = 96, кг
Во время трогания с места и разгона на автомобиль действует сила инерции Pj, приложенная в центре тяжести автомобиля и направленная назад, т. е. в сторону, обратную ускорению. Так как сила Pj приложена на высоте hg от плоскости дороги, она будет стремиться как бы опрокинуть автомобиль вокруг задних колес. При этом нагрузка на задние колеса увеличится, а на передние - уменьшится на величину:
Рис. При передаче усилий от двигателя нагрузка на задние колеса увеличивается, а на передние - уменьшается.
Таким образом, при трогании с места на задние колеса и шины приходится нагрузка от веса автомобиля, от передаваемого увеличенного вращающего момента и от силы инерции. Эта нагрузка действует на подшипники заднего моста и главным образом на шины задних колес. Чтобы сберечь их, нужно троганье с места осуществлять как можно более плавно. Следует напомнить, что на подъеме задние колеса еще более нагружены. На крутом подъеме при трогании с места, да еще при высоком расположении центра тяжести автомобиля, может создаться такая разгрузка передних колес и перегрузка задних, которая приведет к повреждению шин и даже к опрокидыванию автомобиля назад.
Рис. Кроме нагрузки от тягового усилия, при разгоне на задние колеса действует дополнительная сила от инерции массы автомобиля.
Автомобиль двигается с ускорением, и скорость движения его увеличивается, пока тяговая сила больше силы сопротивления движению. С увеличением скорости сопротивление движению возрастает; когда установится равенство тяговой силы и сопротивления, автомобиль приобретает равномерное движение, скорость которого зависит от величины нажима на педаль подачи топлива. Если водитель до отказа нажимает на педаль подачи топлива, эта скорость равномерного движения является одновременно и наибольшей скоростью автомобиля.
Работа по преодолению сил сопротивления качению и воздуха не создает запаса энергии - энергия расходуется на борьбу с этими силами. Работа по преодолению сил инерции при разгоне автомобиля переходит в энергию движения. Эту энергию называют кинетической энергией. Создающийся при этом запас энергии можно использовать, если после некоторого разгона отсоединить ведущие колеса от двигателя, установить рычаг переключения коробки передач в нейтральное положение, т. е. дать возможность автомобилю двигаться по инерции, накатом. Движение накатом происходит до тех пор, пока запас энергии не израсходуется на преодоление сил сопротивления движению. Уместно напомнить, что на одном и том же отрезке пути расход энергии на разгон гораздо больше расхода на преодоление сил сопротивления движению. Поэтому за счет накопленной энергии путь наката может быть в несколько раз больше пути разгона. Так, путь наката со скорости 50 км/час равен для автомобиля «Победа» около 450 м, для автомобиля ГАЗ-51 - около 720 м, в то время как путь разгона до этой скорости равен соответственно 150-200 м и 250-300 м Если водитель не стремится ехать на автомобиле с очень большой скоростью, он может значительную часть пути вести автомобиль «накатом» и экономить таким образом энергию и, тем самым, топливо.