Hay algo mal con la forma en que describimos cómo una rueda de vehículo en curvas crea una fuerza en las curvas. Creo que una rueda rodante debe rotar primero en un eje vertical para luego crear la fuerza en las curvas. Esto es fundamentalmente diferente de lo que pensamos sobre las ruedas en curva. ¿Alguien más puede ver esto?
En las figuras 1a -1b, se muestra que un cilindro rodante solo rueda a lo largo de una trayectoria recta. Para que cambie de dirección, debe girar sobre un eje vertical Fig. 1c. Cuando saca una rueda de un automóvil y la hace rodar por el suelo (sin inclinarse), solo rueda en una dirección a lo largo de un camino recto Fig. 2a. Para que cambie de dirección, debe rotarlo en un eje vertical Fig. 2b. Cuando hace esto mientras rueda, una fuerza en su punto de contacto hace que se incline y posiblemente caiga sobre la figura 2c. La fuerza en las curvas cambió la velocidad de la rueda y rueda en una nueva dirección Fig. 2d.
Cuando colocamos la rueda en el automóvil Fig. 3, creemos que la rueda viaja a lo largo del camino circular con una velocidad tangencial centrada en el centro de giro. Se cree que el movimiento de la rueda es angular sobre el centro de giro, ya que traza un camino circular. Esto se conoce como rodamiento verdadero donde las ruedas no experimentarán fregado siempre que los ejes de las ruedas se crucen en el centro de giro.
Se cree que el recorrido de la rueda es angular, aunque una rueda solo puede rodar en una trayectoria recta como se muestra en las figuras 1 y 2. Este pensamiento de desplazamiento angular ignora la física y la geometría de la rueda rodante. Se cree que la fuerza en las curvas es una fuerza centrípeta como se define con los cuerpos rotativos, pero en realidad es el resultado del cambio en la dirección del recorrido del camino recto de una rueda.
Fuerzas equilibradas y no equilibradas en el parche de contacto de la rueda en las esquinas
La banda de rodadura en el parche de contacto del neumático de una rueda rodante que no se desliza siempre es estacionaria en relación con la carretera. La rueda en curva tiene un parche de contacto por fricción estática y la restricción de un eje para permitir el desplazamiento en una sola dirección. La fuerza en las curvas es perpendicular a esa dirección. ¿Cómo se crea la fuerza?
Un automóvil que viaja en línea recta mientras sopla un viento al costado del automóvil viajará a lo largo de un camino recto porque las fuerzas del viento y la fricción del parche de contacto están equilibradas. La fuerza lateral neta en cada parche de contacto es cero. Esto está probado porque las ruedas no se deslizan lateralmente en la carretera. Mientras el automóvil gira, las fuerzas horizontales en los parches de contacto también se equilibran cuando las ruedas no se deslizan. Pero sabemos que existen fuerzas desequilibradas porque el automóvil en curva experimenta aceleración lateral.
Para acelerar un automóvil en la dirección hacia adelante, el motor crea la fuerza que resulta en un torque en la (s) rueda (s) y la fuerza horizontal aplicada en el parche de contacto de la (s) rueda (s). Al aplicar el freno se crea la misma fuerza horizontal, pero en la dirección opuesta. Las fuerzas desequilibradas que resultan en la aceleración del automóvil se identifican claramente en los dos ejemplos anteriores, mientras que existe un equilibrio simultáneo de fuerzas en la conexión de los neumáticos en la carretera. La fuerza lateral de aceleración en una rueda en curva, por otro lado, ocurre en una dirección en la que solo existen fuerzas equilibradas.
Debido a que el camino no se mueve, la rueda en las curvas debe crear fuerzas desequilibradas al mismo tiempo que crea fuerzas equilibradas en el parche de contacto a través del contacto de fricción estática con el camino. La fuerza en una rueda en curva acelera el automóvil lateralmente, cambiando la dirección de desplazamiento del automóvil mientras las ruedas están en contacto con la carretera y no se deslizan. Debido a las restricciones de la rueda y su eje, la rueda rueda en una dirección perpendicular al eje de la rueda - eje de la rueda de rotación de rodadura. En los ejemplos de cambio de velocidad anteriores, las fuerzas de aceleración y desaceleración son paralelas a esa dirección de rodadura de la rueda. Sin embargo, al girar, la rueda crea una fuerza en una dirección en la que no rueda.
En cualquier instante en que la rueda en curva esté en contacto por fricción estática con la carretera y rodando, la dirección de rodamiento de la rueda y la velocidad de la masa están alineadas. ¿Por qué? Como se explicó anteriormente, cuando se aplica una fuerza como el viento al costado del automóvil, las fuerzas laterales se equilibran cuando los neumáticos no se deslizan lateralmente. Con la rueda en curva, esto parece contradictorio, ya que sabemos que existen fuerzas laterales desequilibradas, pero las fuerzas laterales también están equilibradas. Ahora nos queda tratar de explicar la creación de esta fuerza por una rueda que no puede crear una fuerza de giro lateral al rodar y eso es simplemente porque no rueda en esa dirección.
Para que se produzca una fuerza lateral en una rueda, el movimiento del automóvil cambia de dirección o la rueda cambia de dirección. Dado que la dirección de rodadura de la rueda determina la dirección de movimiento del automóvil, debe ser la rueda la que cambia de dirección.
La única forma en que una rueda puede cambiar de dirección es cuando gira en un eje vertical como se muestra en las figuras 1-2. Después de una rotación del eje vertical, la fuerza lateral se produce porque la rueda está rodando en una dirección diferente a la dirección de la velocidad de masa Figs. 2c-d. Tenga en cuenta que la ubicación de esta rotación del eje vertical es a través del parche de contacto de la rueda. Esta rotación de giro / giro de la rueda no es diferente de lo que sucede con las ruedas delanteras cuando gira el volante. Debido a que la fuerza de giro lateral se produce después de que la rueda gira sobre un eje vertical, se cumple la regla de que la rueda debe estar en contacto por fricción estática con la carretera para crear una fuerza horizontal.
Aceleración centrípeta y tercera ley de Newton en la esquina
La aceleración centrípeta es el resultado de una fuerza sobre un cuerpo en movimiento que siempre es perpendicular a su velocidad creando movimiento circular. Debido a que creemos que el automóvil que gira está en movimiento de rotación sobre el centro de giro, experimenta una fuerza centrípeta aplicada desde el camino hacia las ruedas. La tercera ley de Newton diría que la rueda aplica una fuerza reactiva de igual magnitud en la carretera. El problema aquí es que la carretera sin movimiento no puede aplicar una fuerza sobre una rueda para cambiar su velocidad.
Si la rueda estaba unida por una cuerda al centro de giro, la cuerda aplicaría la fuerza lateral a la rueda que cambia la dirección de la velocidad de la rueda. El automóvil sentado en un plato giratorio grande experimentaría la fuerza centrípeta aplicada del plato giratorio en cada rueda. Ambos ejemplos tienen una fuerza horizontal aplicada que luego resulta en la fuerza reactiva sobre la cuerda y el plato giratorio. Dado que la carretera no se mueve mientras el automóvil gira, debe ser la rueda la que aplica la fuerza en la carretera. La carretera ejerce la fuerza reactiva evitando que la rueda se deslice. Ahora tenga en cuenta que la fuerza centrípeta no es una fuerza reactiva. Es la fuerza que crea el movimiento circular y no la reacción al movimiento de rotación de un cuerpo.
La fuerza centrípeta es la fuerza aplicada sobre un cuerpo en movimiento creando la aceleración que resulta en un movimiento circular del cuerpo. La fuerza reactiva ocurre como resultado de la inercia del cuerpo que resiste esa aceleración. Si la fuerza que crea el recorrido circular es una reacción a una fuerza aplicada, entonces es la fuerza aplicada la que cambia de dirección y siempre apunta radialmente lejos del centro de la trayectoria circular. Con el automóvil en curva, cada rueda aplica esta fuerza horizontal a la carretera.
Como la rueda aplica la fuerza a la carretera, es la rueda la que determina la dirección de la fuerza. Si luego dice que la dirección de la fuerza ejercida por la rueda en la carretera cambia porque el automóvil gira alrededor del centro de giro, entonces ha olvidado que cualquier cambio en la dirección de la velocidad del automóvil es el resultado de la aceleración creada por la fuerza reactiva la dirección de la cual está determinada primero por la rueda. En otras palabras, la rueda cambia la dirección de desplazamiento no influenciada por el impulso del automóvil y eso se debe a que la rueda determina la dirección de movimiento del automóvil y no al revés, que es lo que creemos actualmente. Tenemos el carro delante del caballo.
¿Cuándo y cómo ejerce la rueda la fuerza perpendicular a su dirección de rodadura en la carretera? Cuando la velocidad de la masa está en una dirección diferente a la dirección de rodadura de la rueda como se indicó anteriormente. La única forma en que puede suceder es cuando la rueda gira sobre un eje vertical ubicado en su parche de contacto, a diferencia de girar el volante. ¿Por qué? Porque el camino no se mueve y la rueda solo rueda en una dirección. Además, el automóvil no gira alrededor del centro de giro como se explicó anteriormente.
Si no está de acuerdo con esto, solo tenga en cuenta que en ninguna parte de la dinámica de los vehículos de hoy en día dicen que la rueda de giro aplica la fuerza y que la fuerza de giro es la fuerza reactiva. Se prueba fácilmente, pero no funcionaría con la forma en que describimos actualmente los vehículos en las curvas.
El mecanismo de giro de los vehículos en curva.
Uso del modelo de bicicleta: el eje limita la rueda para que gire en una dirección y la fricción del parche de contacto evita que la rueda se desplace en una dirección perpendicular. La fricción del parche de contacto también resiste la rotación del eje vertical de la rueda.
La rueda delantera apunta en una dirección diferente que la rueda trasera y ambas ruedas están sesgadas para desplazarse en diferentes direcciones Fig. 4a. Debido a la flexibilidad de la bicicleta entre los dos puntos de contacto de la rueda, habrá un recorrido de trayectoria recta de cada rueda Fig. 4b. CUALQUIER distancia hacia adelante que rueda una rueda y se creará un par de eje vertical. Esto se debe a la fricción y la flexibilidad del parche de contacto en cada parte de la bicicleta a través del cuadro y el caucho en los neumáticos.
A medida que la bicicleta rueda hacia adelante, en algún momento el par supera la fricción en el parche de contacto y la rueda cambia la dirección de desplazamiento de la figura 4c. En ese instante, la fuerza en las curvas se produce porque la dirección de desplazamiento de la rueda es diferente de la dirección de la velocidad de masa. Esto se explica arriba.
Este mecanismo de viraje también se puede encontrar en barcos o aviones en viraje. El casco de un barco está sesgado para viajar en una dirección diferente que el timón. El bote y el timón resisten la rotación del eje vertical y esto da como resultado un par de cambio de dirección creado tanto en el timón como en el bote. Esta es una regla universal para cualquier vehículo autoguiado con dos o más puntos de contacto en cualquier medio.