Pregunta:
¿Cómo puedo mejorar la tracción en un vehículo con ruedas y reducir la fricción?
HDE 226868
2015-01-27 20:31:24 UTC
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Esto está inspirado en un proyecto que emprendí para mi clase de Física el año pasado; Me gustaría aplicarlo en el futuro.

Antecedentes: para el proyecto, algunos compañeros de clase y yo teníamos que construir un coche pequeño impulsado por una serie de fuentes; optamos por una ratonera que giraba dos ruedas traseras en un automóvil de cuatro ruedas cuando fue lanzado. El objetivo de nuestro grupo era hacer que el coche llegara lo más lejos posible.

Un problema era que la fuente de energía no era constante. El brazo de palanca de la trampa se elevó en un arco durante unos cinco segundos y luego volvió a su posición de reposo. Durante este tiempo, impulsó el automóvil. Luego, el auto se deslizó por el resto del camino.

En la etapa motorizada, queríamos aumentar la tracción. Las ruedas eran CD (porque teníamos un presupuesto de $ 5.00), que tienden a girar. Así que les colocamos trozos de tela para conseguir una mejor tracción. En la segunda etapa, sin embargo, descubrimos que esta tela ralentizaba bastante el coche porque aumentaba drásticamente la fricción (como descubrimos después de varias horas de probar diferentes combinaciones).

Otros grupos utilizaron cinta adhesiva para cubrir las ruedas, y algunos discos usados, que parecían funcionar un poco mejor que los CD (aunque eso violaba las restricciones de tamaño). Sin embargo, la tela parecía tener la mejor tracción: no tuvimos muchos giros. Las pruebas se realizaron en el piso de un salón de clases típico (no estoy seguro de qué está hecho, ¿linóleo? Pero es lo mismo que en casi todas las escuelas, al menos en Estados Unidos).

En un vehículo con ruedas en general, obviamente no solo un automóvil pequeño impulsado por una ratonera, ¿cómo puedo mejorar sustancialmente la tracción en las ruedas mientras la fuente de energía está encendida y reducir la fricción mientras se desplaza? ¿Es tan simple como elegir ciertos neumáticos o existe una solución de ingeniería mejor y más grande?


Como resumen final: Mi idea sería tener un centro de masa cambiante para el vehículo, donde las ruedas motrices tienen una menor tendencia a patinar y las ruedas delanteras son casi sin fricción. Durante la etapa motorizada, el centro de masa estaría cerca de la parte posterior, mientras que en la etapa de marcha libre, estaría cerca del frente. Esto podría ayudar a reducir la fuerza normal en ciertas ruedas y, por lo tanto, producir o evitar una fricción adicional.

Esto es totalmente anecdótico, pero para mi proyecto de física HS similar, usamos cinta de agarre para patineta aplicada suavemente al borde exterior de las ruedas del CD para mejorar la tracción. Vale la pena intentarlo, pero el objetivo de nuestro proyecto era el poder, no la distancia. Sin embargo: esto tiende a ser duro en la superficie de la carretera (!!). Sugeriría probar en un área discreta de cualquier superficie de manejo que tenga antes de enviar esta cosa a través de su nueva cancha de baloncesto de madera dura, por ejemplo. :-)
Oh, probablemente debería notar lo que usaron algunos de los otros grupos y dónde lo probamos. Estoy buscando respuestas más allá de este tipo de proyecto, pero probablemente sea relevante. Gracias, @PaulGessler.
El coche que frena más con tela se debe a una mayor resistencia a la rodadura, debido a la deformación inelástica. Una sustancia de alta fricción y muy elástica funcionaría mejor: como las bandas de goma. Por eso los neumáticos están hechos de caucho.
Cinco respuestas:
#1
+6
JedF
2015-01-27 21:24:11 UTC
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Debe controlar la rapidez con la que aplica el poder. Algún tipo de mecanismo amortiguador que permitiría que la potencia se aplicara gradualmente y no hiciera que girara.

Podría intentar envolver la 'cuerda de potencia' en poleas de diferentes tamaños para cambiar la relación de transmisión. Si usaras un cono, sería similar a un CVT, en el que al principio tendrías una relación de transmisión baja para moverte y, a medida que la cuerda se desenrollara por el cono, impulsaría el automóvil más rápido en lugar de simplemente girar.

Something like this for your rear axle.

Editar: Puede adivinar la relación de transmisión o usar algunas estadísticas básicas para calcular el coeficiente de fricción y cómo evitar el deslizamiento al aplicar el par.

Una relación de transmisión más baja * aumentaría * la probabilidad de un giro, ya que aumentaría el par aplicado a las ruedas.
#2
+4
user16
2015-01-27 20:57:17 UTC
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Las fuerzas de fricción están relacionadas con el tipo de superficie y el tipo de material. La tracción está relacionada con la cantidad de fricción que puede generar la rueda, así como con el peso aplicado a la rueda. Este artículo de cómo funcionan las cosas hace un buen trabajo al cubrir la relación entre las dos propiedades.

Un error común es que el área de la superficie afecta la tracción de la rueda. Y los coches de carreras de estilo dragster a veces se citan como ejemplo para demostrar ese punto. Esos vehículos tienen neumáticos traseros especiales que son anchos cuando están en reposo, pero se vuelven más estrechos a medida que aumenta su velocidad de rotación. La creencia es que esto tiene el efecto de aumentar la tracción inicial, pero reduce la resistencia a la rodadura a medida que el área de la rueda en contacto con el suelo disminuye con la velocidad de rotación. Sin embargo, este artículo explica muy bien cómo las fuerzas de fricción resultantes siguen siendo las mismas independientemente de la superficie.

Dado que la ecuación de tracción $ F_t = \ mu_tmg $ es equivalente a la fricción $ F_f = \ mu_fmg $ 1 , es un acto de equilibrio entre el par disponible; material de superficie; y materiales de rueda disponibles.

1 Eso no quiere decir que $ \ mu_t $ sea exactamente lo mismo que $ \ mu_f $ pero están lo suficientemente cerca para este caso.

Entonces, ¿por qué las ruedas cambian de tamaño? ¿Hay algún otro beneficio para eso?
Resistencia a la rodadura marginalmente menor: http://www.newton.dep.anl.gov/askasci/eng99/eng99599.htm
#3
+1
Adam Miller
2015-01-28 05:05:47 UTC
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¿Cómo puedo mejorar sustancialmente la tracción en las ruedas mientras la fuente de energía está encendida y reducir la fricción mientras se desliza?

Considerando que, para la mayoría de los propósitos, la tracción es realmente un función de la fricción, creo que abordar los dos casos es mejor que abordar uno en todos los casos.

¿Es posible inflar / desinflar dinámicamente los neumáticos? Si es así, desinflar las llantas un poco mientras la energía está encendida y luego volver a inflarlas cuando está girando puede ser suficiente.

Alternativamente, ¿qué tal mantener las ruedas adicionales retraídas y luego dejarlas caer como el entrenamiento de una bicicleta? ruedas cuando necesita más maniobrabilidad de giro?

Inflar / desinflar no es tan factible, pero la idea de ruedas adicionales es interesante. Habría sido demasiado complicado y habría superado con creces las limitaciones de diseño en mi caso, pero sin duda es una buena solución.
#4
  0
SF.
2015-01-28 01:47:08 UTC
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Tracción, fricción, versatilidad del terreno, elija dos.

Si va a operar en terreno resbaladizo, necesitará una alta fricción para mejorar la tracción. Pero si puede restringir el terreno (y mantener una aceleración razonable; siempre puede cambiarlo por los tres restantes), puede proporcionar una muy buena tracción con una fricción mínima.

Digamos, sus ruedas se cortan- hacia fuera como una hoja de sierra, en ángulo hacia atrás. Usted proporciona una "franja inicial" de pista similar a una sierra con los dientes dirigidos hacia adelante. De esa manera, evita todo deslizamiento sin sacrificar mucha fricción. Luego, las ruedas pueden circular sobre terreno plano agregando un poco de fricción de la superficie del diente de sierra, o puede usar un sistema dual, "llantas" redondas que se extienden más allá de las "orugas" de dientes de sierra, por lo que una vez que el vehículo abandona la pista, se mueve. ruedas perfectamente redondas el resto del camino.

#5
  0
Will.W
2015-02-12 17:04:19 UTC
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La fricción de la que habla cuando hace referencia a la tela se denominaría más correctamente como resistencia a la rodadura. En un sentido real, es necesario aumentar (el coeficiente de) la fricción para aumentar la tracción o aumentar la fuerza que actúa de forma normal al suelo.

Puede aumentar el coeficiente de fricción cambiando el material de la rueda, a medida que hizo con la envoltura de tela, pero encontró que esta mayor resistencia a la rodadura una vez que el vehículo estaba en movimiento, reduciendo así la eficiencia. Una alternativa sería aumentar la masa, aumentando así la fuerza disponible para generar tracción usando la fórmula de tracción GlenH7 siempre que $ F_t = \ mu_tmg $ donde $ m $ es la masa y $ g $ es la aceleración gravitacional. El aumento de masa afectará negativamente su aceleración, por lo que podría ajustar su diseño para cambiar la mayor cantidad de masa existente a las ruedas motrices como sea posible (vea la analogía del dragster, los autos son muy largos, todo el peso está en la parte trasera), lo suficiente como para la (s) rueda (s) delantera (s) solo mantienen contacto con el suelo al acelerar (vea nuevamente el dragster).



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