Wie kann ein 5.000-Pfund-LKW 10.000 Pfund ziehen?

Warten Sie, trotzt das nicht der Physik? Nee. Tim McCaig / iStockPhoto

Haben Sie jemals erstaunt zugesehen, wie ein Pickup eine riesige Ladung Ziegel schleppt? Wenn Sie dachten: "Wow, das widerspricht den Gesetzen der Physik!" du würdest falsch liegen.

Ob Sie es glauben oder nicht, die Gesetze der Physik (oder genauer gesagt die Bewegungsgesetze) ermöglichen es einem 2.268 Kilogramm schweren LKW tatsächlich, eine 4.536 kg schwere Last zu ziehen. Es ist Teil des Zusammenspiels zwischen der vom Motor des Lastwagens ausgeübten Energie und den Schwerkraftkräften. Dies ist jedoch keine Kleinigkeit; Wenn Sie sich an Newtons drittes Bewegungsgesetz erinnern, wissen Sie, dass es von dem Moment an, in dem sich Ihr LKW in Bewegung setzt, Kräfte gibt, die sich ihm auf jedem Schritt des Weges widersetzen.

Wenn Sie die Physik des Fahrens verstehen, verstehen Sie die Physik des Abschleppens. Es gibt tatsächlich eine ziemlich einfache Möglichkeit, den Prozess zu betrachten.

Es gibt drei Zustände, in die Ihr LKW beim Fahren und Abschleppen eintreten kann: Ruhe, Beschleunigung und konstante Geschwindigkeit. Wenn sich das Getriebe Ihres Lastwagens im Park befindet und Ihr Lastwagen sich nicht bewegt, wird es als in Ruhe betrachtet. Der Gravitationsschub nach unten in Richtung Erdmittelpunkt und der Aufwärtsschub von der Erde (genannt) normale Kraft) einander gegenüberstehen, um Ihren LKW in Ruhe zu halten. Ihr LKW bleibt stehen - schließlich bleibt ein ruhender Gegenstand in Ruhe.

Aber du willst dich nicht ausruhen, du willst abschleppen. Dies bedeutet, dass Sie diese Tendenz überwinden müssen, um sich auszuruhen angewandte Kraft. Zum Glück verfügt Ihr LKW über einen Motor, der Energie erzeugen kann, die als Kraft dient, die erforderlich ist, um Sie in Bewegung zu setzen. Während die entgegengesetzten Normal- und Gravitationskräfte bestehen bleiben, müssen Sie sich mit den Reibungskräften auseinandersetzen, um zu beschleunigen. Diese Kräfte existieren nicht auf und ab, sondern parallel zum Boden und drücken in die entgegengesetzte Richtung wie Sie sich bewegen möchten. Sie können physikalisch keine Pause machen, oder??

Bisher bei uns? Gut. Lesen Sie weiter, um mehr über die Physik des Abschleppens zu erfahren.

Nimm es auf, Jungs. Hier wird das Drehmoment erzeugt. Hill Street Studios / Getty Images

Es gibt zwei Arten von Reibungskräften, die beim Fahren Ihres Lastwagens gegen Sie wirken. Statische Reibung ist die Reibung, der Ihre Reifen ausgesetzt sind, bevor sie die Reifen erreichen Bewegungsschwelle. Sobald sich Ihre Räder zu bewegen beginnen, wurde die Bewegungsschwelle überschritten und Ihre Reifen müssen sich nun darum kümmern kinetische Reibung -- oder im Falle eines Rades, Rollreibung. Zum Beschleunigen muss die Haftreibung durch aufgebrachte Kraft überwunden werden, bei Rollreibung ist dies jedoch nicht der Fall. Stattdessen besteht das Ziel darin, zu beschleunigen, bis die aufgebrachte Kraft der auf die Reifen ausgeübten Rollreibung entspricht. Sobald die Menge der ausgeübten Kraft mit der Menge der Rollreibung übereinstimmt, haben Sie den Punkt konstanter Geschwindigkeit erreicht. Sie können es als Reisegeschwindigkeit kennen - den Punkt, an dem Sie nicht beschleunigen oder verlangsamen, sondern nur glücklich mitfahren.

All diese Physikgespräche würden nicht viel ausmachen, wenn Ihr Auto nicht die vom Motor ausgeübte Kraft ausübt, um Ihren LKW die Straße hinunter zu treiben. Dies geschieht durch Produzieren Drehmoment, Das ist die Energie, die ein Rad um seine Achse dreht. Die von Ihrem Motor ausgeübte Kraft wird über das Getriebe auf die Räder Ihres Lastwagens verteilt, wodurch die Antriebswelle gedreht und das Drehmoment auf die Räder verteilt wird.

Das Drehmoment unterscheidet sich von der Energie, die benötigt wird, um etwas entlang einer horizontalen Ebene zu bewegen. Stellen Sie sich das so vor: Nehmen wir an, Sie haben ein Viertel am Rand, das Sie Ihren Flur hinunterrollen möchten. Sie können mit Ihrem Finger in einer Bewegung von oben nach unten auf die Kante drücken, um sie vorwärts zu bewegen, oder mit einer Bewegung von unten nach oben, damit sie rückwärts rollt. Sie haben gerade ein Drehmoment aufgebracht. Versuchen Sie nun, das Viertel vorwärts zu bewegen, ohne es zu rollen. Funktioniert nicht sehr gut, oder? Das Viertel rutscht nur über die Oberfläche, was die Kontrolle erschwert - keine sehr effiziente Art, sich zu bewegen. Dies ist die Herausforderung, die sich Ihrem Lkw bei jeder Fahrt stellt: Vorwärtsfahren ohne Schleudern.

Es scheint einfach genug; Sie treten auf das Gaspedal und der Motor verteilt das Drehmoment auf die Antriebswelle, die die Achse und damit die Räder dreht. Wenn der Motor jedoch zu viel Drehmoment erzeugt, überwinden Ihre Reifen die Rollreibung, die sie auf der Straße haben, und rutschen nutzlos (und möglicherweise gefährlich). Was Sie wollen, ist, dass Ihr Reifen niemals die Straße verlässt.

Es klingt ein bisschen seltsam, aber wenn Ihr LKW richtig fährt, bleibt der Boden des Reifens - buchstäblich dort, wo der Gummi auf die Straße trifft - in Ruhe. Was den Boden des Reifens ausmacht, ändert sich, da alle Punkte auf dem Profil die Möglichkeit haben, als Boden des Reifens zu dienen, wenn er eine volle Umdrehung vollendet. Dies gilt auch für die Position des Reifenbodens in Bezug auf die Straße. Was die Schwerkraft und die Normalkraft betrifft, ruht der Boden des Reifens, da er die Straße nie verlässt.

Was zum Teufel hat das alles mit Abschleppen zu tun? Viel. Was wir meinen, sehen Sie auf der nächsten Seite.

Solange das Gewicht gleichmäßig verteilt ist, sollte dieser LKW mehr als das Doppelte seines Eigengewichts ziehen können. Alexander Hafemann / iStockPhoto

-Alles, was Sie gerade darüber gelernt haben, wie die Physik Ihren LKW reibungslos in Bewegung hält, kann auf das Abschleppen hochgerechnet werden.

Wenn Sie Allradantrieb haben, sind alle vier Reifen mit Antriebswellen verbunden und erhalten somit ein Drehmoment, um sie zu bewegen. Wenn Sie nur einen Hinterrad- oder Vorderradantrieb haben, befürchten Sie nicht: Das auf Ihre Antriebsräder verteilte Drehmoment führt dazu, dass sich auch die Räder bewegen, die für die Fahrt mitfahren. Da sie mit Ihrem LKW verbunden sind, bewegen sich diese Räder, wenn die Antriebsräder anfangen. Das Gewicht sollte gleichmäßig auf den LKW verteilt sein, was bedeutet, dass jedes Rad - ob es mit einer Antriebswelle verbunden ist oder nicht - einer gleichen Herausforderung gegenübersteht.

Da Ihre Reifen dort sind, wo der Gummi auf die Straße trifft - oder eher dort, wo die Schwerkraft, die auf Ihren LKW nach unten drückt, auf die Normalkraft trifft, die nach oben drückt, verteilt sich das Gewicht hier. Wenn das Gewicht gleichmäßig verteilt ist, wird auch die Normalkraft, auf die es trifft, gleichmäßig verteilt, da die Normalkraft proportional zur Masse Ihres Lastwagens ist. Dies bedeutet, dass die Normalkraft, auf die jeder Reifen trifft, etwa ein Viertel der Masse Ihres LKW beträgt. Diese gleichmäßige Kraftverteilung führt zu einer gleichen statischen und dann kinetischen Kraft, auf die jeder Reifen trifft, wenn er sich von seiner Ruheposition zur Beschleunigung und schließlich zur konstanten Geschwindigkeit bewegt. Das Drehmoment, das ausreicht, um ein Rad zu bewegen, bewegt also alle. Wenn das Gewicht Ihres Lastwagens nicht gleichmäßig verteilt ist, rutschen oder rutschen Reifen, die weniger Gewicht tragen, wenn das Drehmoment, das sie erhalten, überwindet und nicht der Rollreibung entspricht, die sie von der Straße erhalten.

Dies gilt für die vier Reifen Ihres Lastwagens ebenso wie für zwei oder vier weitere Reifen, die Sie beim Ziehen eines Anhängers hinzufügen. Das liegt daran, dass nach den Gesetzen der Physik Ihr Anhänger, wenn er an Ihren LKW angeschlossen ist, als eine Einheit betrachtet wird. Die Masse des Lastwagens und die Masse des Anhängers teilen sich eine kombinierte Masse. Dies bedeutet, dass die Gewichtsverteilung wichtig bleibt. Wenn es richtig verteilt ist, werden die Reifen - ob vier, sechs, acht oder 50 - alle die gleiche Reibung aufweisen, wenn sie die Schwelle überschreiten und beschleunigen.

Wie kann ein 5.000-Pfund-LKW eine 10.000-Pfund-Ladung ziehen? Die kurze Antwort ist, dass es nicht kann, es sei denn, es hat die richtige Art von Anhängerkupplung. Wenn Sie die Bedienungsanleitung Ihres LKWs konsultieren, sehen Sie, dass Ihr LKW zwei Anhängelast hat - eine für Eigengewicht und eine für Zuggewicht. Sie werden auch feststellen, dass die Eigengewichtsgrenze ungefähr dem Gewicht Ihres Lastwagens entspricht, während die Zugkraft etwa dreimal höher ist. Der Grund dafür ist, dass die Zugkraft eine spezielle Anhängerkupplung erfordert, die - Sie haben es erraten - das Gewicht des Anhängers auf die Räder des Anhängers und des Lastwagens verteilt.

-Das zusätzliche Gewicht des Anhängers erfordert, dass der Motor des Busfahrzeugs härter arbeitet, um mehr Drehmoment zu erzeugen, als erforderlich ist, wenn der Bus unbelastet fährt. Wenn das Gewicht jedoch sowohl im Anhänger als auch im Busfahrzeug richtig verteilt ist, ist die Haftreibung für jeden Reifen gleich. Egal, ob es sich um einen LKW mit einem Gewicht von 5.000 Pfund handelt oder um einen LKW mit einer Last von 10.000 Pfund, solange der Motor genug Drehmoment erzeugen kann, um die Antriebsräder zu drehen, ohne die Rollreibung auf der Straße zu überwinden, alle anderen Räder Folgen.

Weitere Informationen zum Abschleppen und zu anderen verwandten Themen finden Sie auf der nächsten Seite.

Danke

Besonderer Dank geht an Dr. William Skocpol und Craig Freudenrich, Ph.D. für ihre Hilfe bei diesem Artikel!

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Weitere großartige Links

• Tipps und Terminologie zum Abschleppen
• Boston University Physik
• Definitionen und Bewertungen des Abschleppgewichts

Quellen

• Skocpol, William, PhD. Professor für Physik an der Boston University. Persönliche Korrespondenz. 31. Oktober 2008.
• Townsend, Ben. "Statische und kinetische Reibung." Universität von Alaska, Fairbanks. Herbst 2002. http://ffden-2.phys.uaf.edu/211_fall2002.web.dir/Ben_Townsend/StaticandKineticFriction.htm