Bạn đã bao giờ kinh ngạc khi chứng kiến một chiếc xe bán tải kéo một đống gạch khổng lồ chưa? Nếu bạn nghĩ, "Chà, điều đó bất chấp các định luật vật lý!" bạn sẽ sai.
Tin hay không thì tùy, các định luật vật lý (hay cụ thể hơn là các quy luật chuyển động) thực sự cho phép một chiếc xe tải nặng 5.000 pound (2.268 kg) kéo một tải trọng 10.000 pound (4.536 kg). Đó là một phần của sự tác động qua lại giữa năng lượng do động cơ xe tải tạo ra và lực hấp dẫn. Tuy nhiên, đây không phải là một kỳ tích nhỏ; nếu bạn nhớ Định luật chuyển động thứ ba của Newton, bạn biết rằng từ thời điểm chiếc xe tải của bạn bắt đầu chuyển động, có những lực chống lại nó trong mỗi bước đi.
Nếu bạn hiểu vật lý của lái xe, bạn hiểu vật lý của kéo. Thực ra có một cách khá đơn giản để xem xét quá trình.
Có ba trạng thái mà xe tải của bạn có thể đi vào khi lái và kéo:nghỉ, tăng tốc và vận tốc không đổi. Khi hộp số của xe tải đang đậu và xe tải của bạn bất động, nó được coi là ở trạng thái nghỉ. Lực hấp dẫn hướng xuống tâm trái đất và lực đẩy lên từ trái đất (gọi là lực pháp tuyến ) chống đối nhau để giữ cho xe tải của bạn ở yên. Xe tải của bạn sẽ ở yên - sau cùng, một vật thể ở trạng thái nghỉ có xu hướng ở yên.
Nhưng bạn không muốn nghỉ ngơi, bạn muốn kéo. Điều này có nghĩa là bạn phải vượt qua xu hướng nghỉ ngơi này thông qua lực tác dụng . Thật may cho bạn, chiếc xe tải của bạn có một động cơ có thể tạo ra năng lượng, đóng vai trò là lực tác dụng cần thiết để bạn di chuyển. Trong khi lực hấp dẫn và pháp tuyến đối nghịch vẫn còn, để tăng tốc, bạn sẽ phải đối phó với các lực ma sát. Thay vì lên và xuống, những lực này tồn tại song song với mặt đất và đẩy theo hướng ngược lại với cách bạn muốn di chuyển. Bạn không thể nắm bắt được một sự đột phá về vật lý, phải không?
Với chúng tôi cho đến nay? Tốt. Hãy tiếp tục đọc để tìm hiểu thêm về vật lý của kéo.
Có hai loại lực ma sát đang tác động lên bạn khi bạn điều khiển xe tải. Ma sát tĩnh là ma sát mà lốp xe của bạn sẽ gặp phải trước khi chúng đạt đến ngưỡng chuyển động . Khi bánh xe của bạn bắt đầu chuyển động, ngưỡng chuyển động đã bị vượt qua và lốp xe của bạn bây giờ phải đối phó với ma sát động học - hoặc trong trường hợp bánh xe, ma sát lăn . Để tăng tốc, ma sát tĩnh phải được khắc phục thông qua lực tác dụng, nhưng đây không phải là trường hợp của ma sát lăn. Thay vào đó, mục đích là tăng tốc cho đến khi lực tác dụng bằng với lực ma sát lăn tác dụng lên lốp. Khi lực tác dụng phù hợp với lượng ma sát lăn, bạn đã đạt đến chất điểm có vận tốc không đổi. Bạn có thể biết nó là tốc độ bay - điểm mà bạn không phải tăng tốc hoặc giảm tốc độ, chỉ cần đi du lịch một cách vui vẻ.
Tất cả những cuộc nói chuyện vật lý này sẽ chẳng có giá trị gì nhiều nếu nó không phải là cách chiếc xe của bạn sử dụng lực tác dụng từ động cơ để đẩy chiếc xe tải của bạn xuống đường. Nó làm như vậy bằng cách tạo ra mô-men xoắn , là năng lượng làm quay một bánh xe trên trục của nó. Lực tác dụng do động cơ tạo ra được phân phối đến các bánh xe tải của bạn thông qua hộp số, làm quay trục truyền động và phân phối mô-men xoắn đến các bánh xe.
Mô-men xoắn khác với năng lượng cần thiết để di chuyển một thứ gì đó dọc theo mặt phẳng nằm ngang. Hãy nghĩ về nó như sau:Giả sử rằng bạn có một phần tư đang đứng trên bờ vực mà bạn định lăn xuống hành lang của mình. Bạn có thể dùng ngón tay ấn vào mép theo chuyển động từ trên xuống để di chuyển về phía trước hoặc chuyển động từ dưới lên để làm cho nó cuộn về phía sau. Bạn vừa áp dụng mô-men xoắn. Bây giờ, hãy cố gắng di chuyển quý về phía trước mà không cần lăn tăn. Nó không hoạt động rất tốt, phải không? Phần tư chỉ trượt dọc theo bề mặt gây khó kiểm soát - không phải là một cách di chuyển hiệu quả. Đây là thử thách dành cho chiếc xe tải của bạn mỗi khi bạn lái xe:tiến về phía trước mà không bị trượt.
Nó có vẻ đủ đơn giản; bạn nhấn bàn đạp ga, và động cơ sẽ phân phối mô-men xoắn đến trục truyền động làm quay trục và lần lượt các bánh xe. Nhưng nếu động cơ tạo ra quá nhiều mô-men xoắn, lốp xe của bạn sẽ vượt qua ma sát lăn mà chúng gặp từ đường và sẽ trượt một cách vô ích (và có thể nguy hiểm). Điều bạn muốn là lốp xe của bạn không bao giờ rời khỏi đường.
Nghe có vẻ hơi kỳ lạ, nhưng khi chiếc xe tải của bạn chạy đúng hướng, phần đáy của lốp - gần như là nơi cao su tiếp xúc với đường - vẫn ở trạng thái nghỉ. Những gì cấu thành nên đáy lốp thay đổi vì tất cả các điểm trên gai lốp đều có cơ hội đóng vai trò là đáy lốp khi nó hoàn thành một vòng quay hoàn toàn. Vị trí của đáy lốp xe so với mặt đường cũng vậy. Tuy nhiên, liên quan đến trọng lực và lực bình thường, phần đáy của lốp xe đang ở trạng thái nghỉ vì nó không bao giờ rời khỏi mặt đường.
Vậy tất cả những thứ này có liên quan gì đến việc kéo xe? Nhiều. Bạn sẽ thấy ý của chúng tôi ở trang tiếp theo.
Mọi thứ bạn vừa học được về cách vật lý giữ cho xe tải của bạn di chuyển trơn tru có thể được ngoại suy cho việc kéo xe.
Nếu bạn có hệ dẫn động bốn bánh, cả bốn lốp xe đều được kết nối với trục truyền động và do đó nhận mô-men xoắn để di chuyển chúng. Nếu bạn chỉ có bánh sau hoặc bánh trước, đừng lo:Mô-men xoắn được phân bổ cho các bánh lái của bạn cũng sẽ làm cho các bánh dọc theo xe cũng chuyển động theo. Vì chúng được kết nối với xe tải của bạn, các bánh xe này sẽ chuyển động khi các bánh xe bắt đầu chuyển động. Trọng lượng phải được phân bổ đều trên xe tải, có nghĩa là mỗi bánh xe - dù được kết nối với trục truyền động hay không - đều phải đối mặt với một thách thức như nhau.
Vì lốp xe của bạn là nơi cao su tiếp xúc với mặt đường - hoặc hơn thế nữa là nơi mà lực hấp dẫn đè xuống xe tải của bạn gặp lực bình thường đẩy lên trên nó - đây là nơi trọng lượng được phân phối. Nếu trọng lượng phân bố đều, thì lực bình thường mà nó gặp phải cũng phân bố đều, vì lực bình thường tỷ lệ với khối lượng của xe tải của bạn. Điều này có nghĩa là lực bình thường mà mỗi lốp xe gặp phải bằng một phần tư khối lượng của xe tải của bạn. Sự phân bố đều nhau của lực này dẫn đến một lượng tĩnh và lực động học bằng nhau mà mỗi lốp gặp phải khi nó chuyển động từ vị trí nghỉ đến gia tốc và cuối cùng là vận tốc không đổi. Vì vậy, mô-men xoắn đủ để di chuyển một bánh xe sẽ di chuyển tất cả chúng. Nếu trọng lượng của xe tải của bạn không được phân bổ đều, thì lốp xe có trọng lượng nhỏ hơn sẽ trượt hoặc trượt khi mô-men xoắn chúng nhận được vượt qua thay vì bằng với ma sát lăn mà nó gặp từ mặt đường.
Điều này đúng với bốn lốp trên xe tải của bạn cũng như với hai hoặc bốn lốp nữa mà bạn sẽ thêm vào khi bạn kéo một rơ-moóc. Đó là bởi vì, theo như các định luật vật lý có liên quan, khi xe kéo của bạn được nối với xe tải của bạn, nó được coi là một đơn vị duy nhất. Khối lượng của xe tải và khối lượng của rơ moóc có chung một khối lượng. Điều này có nghĩa là phân bổ trọng lượng vẫn quan trọng. Nếu được phân phối hợp lý, các lốp xe - dù có bốn, sáu, tám hay 50 - đều sẽ phải đối mặt với cùng một lượng ma sát khi chúng vượt qua ngưỡng và tăng tốc.
Vậy làm thế nào một chiếc xe tải 5.000 pound có thể kéo một tải 10.000 pound? Câu trả lời ngắn gọn là nó không thể, trừ khi nó có đúng loại quá trình. Nếu bạn tham khảo hướng dẫn sử dụng của chủ sở hữu xe tải, bạn sẽ thấy xe tải của mình có hai khả năng kéo - một cho trọng lượng chết và một cho trọng lượng kéo. Bạn cũng sẽ nhận thấy rằng giới hạn trọng lượng chết tương đương với trọng lượng của xe tải của bạn, trong khi trọng lượng được kéo cao hơn ba lần. Lý do là sức tải trọng lượng được kéo yêu cầu một lực cản đặc biệt để - bạn đoán nó - phân bổ trọng lượng của rơ moóc giữa các bánh xe của rơ moóc và xe tải.
Trọng lượng tăng thêm của rơ-moóc đòi hỏi động cơ của xe huấn luyện phải làm việc nhiều hơn để tạo ra nhiều mô-men xoắn hơn mức yêu cầu khi xe chạy không bị cản trở. Nhưng nếu trọng lượng được phân bổ hợp lý trong cả xe đầu kéo và xe đầu kéo, thì ma sát tĩnh đối với mỗi lốp sẽ bằng nhau. Vì vậy, cho dù đó là một chiếc xe tải nặng 5.000 pound đang di chuyển trên đường, hay một chiếc đang kéo một tải trọng 10.000 pound, miễn là động cơ có thể tạo ra đủ mô-men xoắn để quay các bánh lái mà không vượt qua ma sát lăn trên đường, tất cả các bánh xe khác sẽ theo dõi.
Để biết thêm thông tin về kéo và các chủ đề liên quan khác, hãy truy cập trang tiếp theo.
Cảm ơnĐặc biệt cảm ơn Tiến sĩ William Skocpol và Craig Freudenrich, Ph.D. để được giúp đỡ về bài viết này!
Cách tránh lừa đảo kéo theo
Làm cách nào để khắc phục sự cố rò rỉ thủy lực?
Làm cách nào tôi có thể làm sạch ngăn chứa chất làm mát của mình?
Cách kéo rơ moóc