WYZNACZENIE WSPÓŁCZYNNIKA OPORU TOCZENIA I WSPÓŁCZYNNIKA OPORU POWIETRZA

Podobne dokumenty
SZKOŁA POLICEALNA dla dorosłych

Mechanika ruchu / Leon Prochowski. wyd. 3 uaktual. Warszawa, Spis treści

KARTY POMIAROWE DO BADAŃ DROGOWYCH

O 2 O 1. Temat: Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego

Materiały pomocnicze 5 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

Teoria ruchu pojazdów samochodowych

PLAN REALIZACJI MATERIAŁU NAUCZANIA FIZYKI W GIMNAZJUM WRAZ Z OKREŚLENIEM WYMAGAŃ EDUKACYJNYCH

M2. WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI WAHADŁA OBERBECKA

Pierwsze dwa podpunkty tego zadania dotyczyły równowagi sił, dla naszych rozważań na temat dynamiki ruchu obrotowego interesujące będzie zadanie 3.3.

Doświadczalne badanie drugiej zasady dynamiki Newtona

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu [Mechanika i Budowa Maszyn] Studia I stopnia. Teoria ruchu pojazdów Rodzaj przedmiotu:

SPIS TREŚCI WPROWADZENIE... 9

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

Dynamika ruchu postępowego, ruchu punktu materialnego po okręgu i ruchu obrotowego bryły sztywnej

Ćwiczenie: "Kinematyka"

BADANIE DRGAŃ TŁUMIONYCH WAHADŁA FIZYCZNEGO

13. WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK ORAZ PRZEŁOŻENIA UKŁADU KIEROWNICZEGO

Moment obrotowy i moc silnika a jego obciążenie (3)

Test powtórzeniowy nr 1

PLAN REALIZACJI MATERIAŁU NAUCZANIA FIZYKI W KLASIE PIERWSZEJ GIMNAZJUM WRAZ Z OKREŚLENIEM WYMAGAŃ EDUKACYJNYCH

Dynamika samochodu Vehicle dynamics

Ćw. nr 31. Wahadło fizyczne o regulowanej płaszczyźnie drgań - w.2

Rodzaje zadań w nauczaniu fizyki

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 1: Wahadło fizyczne. opis ruchu drgającego a w szczególności drgań wahadła fizycznego

Transport I stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny) stacjonarne (stacjonarne / niestacjonarne)

Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego (Katera)

POJAZDY SAMOCHODOWE. Wyznaczanie oporów ruchu pojazdu

Imię i nazwisko ucznia Data... Klasa... Ruch i siły wer. 1

Doświadczalne wyznaczanie współczynnika sztywności (sprężystości) sprężyny

09R POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNY Z FIZYKI I ASTRONOMII. POZIOM ROZSZERZONY (dynamika ruchu prostoliniowego)

Zasady dynamiki Newtona. Pęd i popęd. Siły bezwładności

Test powtórzeniowy nr 1

Napęd pojęcia podstawowe

Test powtórzeniowy nr 1

FIZYKA klasa 1 Liceum Ogólnokształcącego (4 letniego)

Ćwiczenie: "Ruch po okręgu"

Wyznaczanie współczynnika sprężystości sprężyn i ich układów

MECHANIKA 2 Wykład 7 Dynamiczne równania ruchu

Nieustalony wypływ cieczy ze zbiornika przewodami o różnej średnicy i długości

Opis ćwiczenia. Cel ćwiczenia Poznanie budowy i zrozumienie istoty pomiaru przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Henry ego Katera.

PF11- Dynamika bryły sztywnej.

ĆWICZENIE 3 REZONANS AKUSTYCZNY

I. DYNAMIKA PUNKTU MATERIALNEGO

Zadania i funkcje skrzyń biegów. Opracował: Robert Urbanik Zespół Szkół Mechanicznych w Opolu

Wyznaczenie współczynnika restytucji

Dynamika Newtonowska trzy zasady dynamiki

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

Napęd pojęcia podstawowe

Ćwiczenie: "Dynamika"

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

Zakład Dydaktyki Fizyki UMK

PROFIL PRĘDKOŚCI W RURZE PROSTOLINIOWEJ

WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI CIAŁ METODĄ WAHADŁA FIZYCZNEGO GRAWITACYJNEGO I SPRAWDZANIE TWIERDZENIA STEINERA ĆWICZENIE

Politechnika Poznańska

BADANIA SYMULACYJNE PROCESU HAMOWANIA SAMOCHODU OSOBOWEGO W PROGRAMIE PC-CRASH

v 6 i 7 j. Wyznacz wektora momentu pędu czaski względem początku układu współrzędnych.

Powtórzenie wiadomości z klasy I. Temat: Ruchy prostoliniowe. Obliczenia

05 DYNAMIKA 1. F>0. a=const i a>0 ruch jednostajnie przyspieszony prostoliniowy 2. F<0. a=const i a<0 ruch jednostajnie opóźniony prostoliniowy 3.

Mechanika ogólna / Tadeusz Niezgodziński. - Wyd. 1, dodr. 5. Warszawa, Spis treści

prędkości przy przepływie przez kanał

ROZWIĄZUJEMY ZADANIA Z FIZYKI

m 0 + m Temat: Badanie ruchu jednostajnie zmiennego przy pomocy maszyny Atwooda.

DYNAMIKA SIŁA I JEJ CECHY

Dobór silnika serwonapędu. (silnik krokowy)

Projekt Metoda Elementów Skończonych. COMSOL Multiphysics 3.4

Doświadczalne wyznaczanie współczynnika sztywności (sprężystości) sprężyn i współczynnika sztywności zastępczej

1. POMIAR SIŁY HAMOWANIA NA STANOWISKU ROLKOWYM

MECHANIKA 2. Wykład Nr 3 KINEMATYKA. Temat RUCH PŁASKI BRYŁY MATERIALNEJ. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Rozdział 1. Prędkość i przyspieszenie... 5 Rozdział 2. Składanie ruchów Rozdział 3. Modelowanie zjawisk fizycznych...43 Numeryczne całkowanie,

Bąk wirujący wokół pionowej osi jest w równowadze. Momenty działających sił są równe zero (zarówno względem środka masy S jak i punktu podparcia O).

BŁĘDY W POMIARACH BEZPOŚREDNICH

Rys. 1Stanowisko pomiarowe

Układ kierowniczy. Potrzebę stosowania układu kierowniczego ze zwrotnicami przedstawia poniższy rysunek:

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

Blok 2: Zależność funkcyjna wielkości fizycznych. Rzuty

Oddziaływania. Wszystkie oddziaływania są wzajemne jeżeli jedno ciało działa na drugie, to drugie ciało oddziałuje na pierwsze.

LABORATORIUM PKM. Katedra Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn. Badanie statycznego i kinetycznego współczynnika tarcia dla wybranych skojarzeń ciernych

Wyboczenie ściskanego pręta

Kołowrót -11pkt. 1. Zadanie 22. Wahadło balistyczne (10 pkt)

VI. CELE OPERACYJNE, CZYLI PLAN WYNIKOWY (CZ. 1)

We wszystkich zadaniach przyjmij wartość przyspieszenia ziemskiego g = 10 2

Plan wynikowy fizyka rozszerzona klasa 3a

Równania różniczkowe opisujące ruch fotela z pilotem:

LABORATORIUM DYNAMIKI MASZYN. Redukcja momentów bezwładności do określonego punktu redukcji

BADANIE STANÓW RÓWNOWAGI UKŁADU MECHANICZNEGO

Kurs ZDAJ MATURĘ Z MATEMATYKI MODUŁ 5 Zadania funkcje cz.1

ZASADY DYNAMIKI NEWTONA

Wykorzystano materiały. Układ napędowy - podzespoły. Mechanizm różnicowy. opracowanie mgr inż. Ireneusz Kulczyk

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI. ĆWICZENIE NR 1 Drgania układów mechanicznych

Ruch jednowymiarowy. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

III Zasada Dynamiki Newtona. Wykład 5: Układy cząstek i bryła sztywna. Przykład. Jak odpowiesz na pytania?

SPIS TREŚCI RACJONALNA JAZDA Z UWZGLĘDNIENIEM PRZEPISÓW BEZPIECZEŃSTWA... 9

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 13 RUCH OBROTOWY BRYŁY SZTYWNEJ. CZĘŚĆ 3

Oddziaływania te mogą być różne i dlatego można podzieli je np. na:

Rada Unii Europejskiej Bruksela, 6 września 2016 r. (OR. en)

Blok 6: Pęd. Zasada zachowania pędu. Praca. Moc.

Spotkania z fizyka 2. Rozkład materiału nauczania (propozycja)

WYZNACZANIE MODUŁU SZTYWNOŚCI METODĄ DYNAMICZNĄ

TRANSPORT NIEELEKTROLITÓW PRZEZ BŁONY WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA PRZEPUSZCZALNOŚCI

Wyznaczanie modułu Younga metodą strzałki ugięcia

Transkrypt:

Cel ćwiczenia WYZNACZENIE WSPÓŁCZYNNIKA OPORU TOCZENIA I WSPÓŁCZYNNIKA OPORU POWIETRZA Celem cwiczenia jest wyznaczenie współczynników oporu powietrza c x i oporu toczenia f samochodu metodą wybiegu. Wprowadzenie Pomiar prowadzony będzie podczas wybiegu. Oznacza to, że pojazd będzie rozpędzony do prędkości około 80-90 km/h, a następnie dźwignia zmiany biegów zostanie ustawiona w położeniu neutralnym. Jeżeli samochód toczy się po prostym płaskim odcinku, to działają na niego siły: oporu powietrza, oporu toczenia, bezwładności. Siła oporu powietrza Siła oporu powietrza działa na pojazd podczas gdy porusza się on względem masy otaczającego go powietrza. Wyrażenie opisujące siłę oporu powietrza: F p = 1 2 A c x v 2 p (1) gdzie: - gęstość powietrza [kg/m 3 ], A - pole powierzchni czołowej pojazdu [m 2 ], c x - współczynnik czołowego oporu powietrza (bezwymiarowy), v p - prędkość pojazdu względem masy otaczającego go powietrza [m/s]. Współczynnik oporu powietrza c x dla danego pojazdu jest wielkością stałą, zależy od kształtu bryły nadwozia. Siła oporu toczenia Siła oporu toczenia wynika z odkształceń opony koła jezdnego. Rozkład nacisków pod kołem, które się nie toczy jest symetryczny względem pionowej osi symetrii koła (rysunek 1a). Rysunek 1: Siły działające na koło: a - nieruchome, b - toczące się. Jeżeli koło toczy się, na skutek właściwości sprężysto-tłumiących opony, rozkład nacisków pod kołem n(x) staje się niesymetryczny względem pionowej osi symetrii koła (rysunek 1b). Wypadkowa siła reakcji R jest więc przesunięta w kierunku toczenia się koła. Moment siły R na ramieniu e jest momentem oporu toczenia. Moment ten jest równoważony momentem siły T na ramieniu równym promieniowi dynamicznemu r. Stąd: 1

T = e Z, (2) r e gdzie: r = f - współczynnik oporu toczenia. Współczynnik oporu toczenia zależy m.in. od typu opony, ciśnienia w ogumieniu, rodzaju i stanu nawierzchni. Dla całego pojazdu: T = f Z i = f Q, (3) gdzie: Q - ciężar pojazdu. Siła bezwładności i=1...4 Siła bezwładności obiektu poruszającego się w ruchu postępowym, na mocy II zasady dynamiki wynosi: F b = m a, (4) gdzie: m - masa obiektu, a - przyspieszenie. Jeżeli ruch postępowy związany jest z ruchem obrotowym pewnych elementów, energia kinetyczna takiego obiektu jest powiększona o energię kinetyczną ruch obrotowego i siła bezwładności działająca na taki obiekt wynosi: F b = δ m a, (5) gdzie: δ - współczynnik mas wirujących, uwzględniająca bezwładność kół pojazdu: Bilans sił Równanie bilansu sił działających na pojazd podczas wybiegu: δ = 1+ 4 I k m r2. (6) Równanie to można przekształcić do postaci: F p +T +F b = 0. (7) Wykonanie pomiarów δ g a = A c x 2 m g v2 f. (8) Pojazd użyty do pomiarów musi być sprawny. Przed badaniami powinno być sprawdzone ogumienie i ustawione odpowiednie ciśnienie. Pomiar wykonuje się na prostym odcinku drogi bez wniesień i spadków. Pogoda podczas pomiaru powinna być bezwietrzna i bez opadów. Samochód rozpędza się do prędkości 80-90 km/h, a następnie ustawia się dźwignię zmiany biegów w położeniu neutralnym i jednocześnie uruchamia się rejestrację prędkości. Prędkość jest rejestrowana do całkowitego zatrzymania pojazdu. Opracowanie wyników Na podstawie zarejestrowanej ( prędkości wyznacza się zależność przyspieszenia od prędkości. Następnie wykonuje się wykres pomocniczy a ) δ g v 2 - rysunek 2. Punkty pomiarowe aproksymuje się prostą. W przykładzie na rys. 2 równanie prostej ma postać: Konfrontując to równanie z równaniem (8) wyznacza się: współczynnik oporu toczenia: f(x) = 0,000046 x 0,012 (9) współczynnik oporu powietrza: f = 0,012, (10) A c x 2 m g = 4,6 10 5. (11) 2

Rysunek 2: Wykres pomocniczy (opis w tekście). dla: A = 4,1m 2, = 1,28kg/m 3, m = 2300kg, g = 9,81m/s 2 otrzymuje się: c x = 2 4,6 10 5 m g A = 0,40. (12) WYZNACZENIE CHARAKTERYSTYKI DYNAMICZNEJ POJAZDU Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyki dynamicznej pojazdu na podstawie jego właśności trakcyjnych. Charakterystyka dynamiczna Charakterystyka dynamiczna jest zależnościa wskaźnika dynamicznego D od prędkości pojazdu v - rysunek 3. Rysunek 3: Charakterystyka dynamiczna (przykład). W ogólnym przypadku bilans sił działających na pojazd podczas jazdy przy założeniu pracy silnika na charakterystyce zewnętrznej (maksymalna możliwa do osiągnięcia wartość momentu napędowego) i całkowitego obciążenia pojazdu ma postać: 3

F n = F p +T +F w +F b, (13) gdzie: F n siła napędowa, F p - siła oporu powietrza, T- siła oporu toczenia, F w - siła oporu wzniesienia, F b - siła bezwładności. Poszczególne składniki równania: T = Q c f, (14) F w = Q c sinα Q c tanα = Q c w, (15) F b = δ m c a = δ Qc g a. (16) Jeżeli wartość siły oporu powietrza przeniesie się na lewą stronę równania (13) i obie strony równania podzieli się przez ciężar pojazdu Q c, to pamiętając definicję wskaźnika dynamicznego: otrzymujemy poniższą postać równania: D = F n F p Q c, (17) D = f +w + δ a. (18) g Jeżeli pojazd nie jest całkowicie obciążony, to trzeba uwzględnić współczynnik załadowania pojazdu: λ = Q, (19) Q c z którego wynika: i równanie (18) przyjmuje postać: Q c = Q λ (20) D = λ (f +w+ δg ) a. (21) Znając charakterystykę dynamiczną, można wyznaczyć podstawowe parametry ruchu pojazdu, nie wykonując skomplikowanych obliczeń. Przykład 1 Wyznaczyć maksymalną wartość przyspieszenia na II biegu na płaskim odcinku (w = 0) drogi asfaltowej (f = 0,01). Znamy aktualne obciążenie pojazdu: Q = 10kN, obciążenie maksymalne pojazdu: Q = 15kN, maksymalna wartość wskaźnika dynamicznego na II biegu: D = 0, 32, współczynnik mas wirujących na II biegu (liczony dla całego pojazdu, uwzględniając bezwładność kół, układu napędowego i silnika) δ = 1, 25. Obliczamy: z równania (21) wynika: a = g δ ( D λ λ = 10 = 0,67, (22) 15 ) ( ) f w = 9,81m/s2 0,32 1,25 0,67 0,01 0 = 3,7m/s 2. (23) Przykład 2 Wyznaczyć maksymalną wartość wzniesienia, na które można wjechać ze stałą prędkością na III biegu na drodze piaszczystej (f = 0, 1). Jaka to prędkość? Maksymalna wartość wskaźnika dynamicznego na III biegu: D = 0, 2, samochód całkowicie załadowany. Jeżeli pojazd podjeżdża pod górę o maksymalnym wzniesieniu, to nie może on już przyspieszać, więc jego przyspieszenie wynosi: a = 0m/s 2. Obliczamy: w = D f = 0,2 0,1 = 0,1 = 10%. (24) 4

Wprowadzenie Pomiary prowadzone będą podczas rozpędzania pojazdu na poszczególnych biegach. Podczas rozpędzania pedał przyspieszenia będzie wciśnięty do oporu, przez co silnik pojazdu pracować będzie według charakterystyki zewnętrznej, czyli w każdej chwili wartość momentu napędowego będzie największa. Podczas przyspieszania na prostym płaskim odcinku drogi na pojazd działają siły: siła oporu powietrza F p, siła oporu toczenia T, siła bezwładności F b, siła napędowa F n. Równanie bilansu sił ma postać: F n = F p +T +F b. (25) Po przeniesieniu F p na lewą stronę równania i podzieleniu obu stron przez ciężar pojazdu otrzymuje się: F n F p Q = T Q + F b Q. (26) OznaczającQ c ciężąr pojazdu całkowicie obciążonego (odpowiadający dopuszczalnej masie całkowitej), współczynnik załadowania pojazdu: λ = Q Q c. (27) Równanie (26) można przekształcić do postaci: F n F p Q c = λ f +λ δ a. (28) g Wyrażenie po lewej stronie równania jest równe współczynnikowi dynamicznemu. Współczynnik mas wirujących pojazdu podczas rozpędzania uwzględnia bezwładność kół i bezwładność silnika. Równanie (28) można zatem zapisać w postaci: gdzie: D = λ f + λ+δ s i 2 s i 2 g +δ k g a, (29) δ s = I s m rd 2, (30) Ik δ k = m rd 2. (31) Zatem, znając chwilowe przyspieszenie pojazdu a, można wyznaczyć wartość współczynnika dynamicznego w danej chwili. Wykonanie pomiarów Pojazd użyty do pomiarów musi być sprawny. Przed badaniami powinno być sprawdzone ogumienie i ustawione odpowiednie ciśnienie. Pomiar wykonuje się na prostym odcinku drogi bez wniesień i spadków. Pogoda podczas pomiaru powinna być bezwietrzna i bez opadów. Na każdym biegu pojazd rozpędza się z pełnym wciśnięciem pedału przyspieszenia w całym zakresie prędkości obrotowej silnika. Rejestruje się prędkość pojazdu. Opracowanie wyników Z przebiegu prędkości oblicza się przyspieszenie pojazdu. Znając przyspieszenie, ze wzoru (29) oblicza się wartość wskaźnika dynamicznego. Wartości wskaźnika dynamicznego (z kilku przejazdów) nanosi się na wykres w funkcji prędkości i aproksymuje liniami odpowiadającymi poszczególnym biegom - rysunek 4. 5

Rysunek 4: Charakterystyka dynamiczna - wyniki obliczeń. Rysunek 5: Charakterystyka dynamiczna podczas ruszania z miejsca. Uwaga: Podczas gwałtownego ruszania z miejsca z wciśniętym do oporu pedałem przyspieszenia następuje poślizg sprzęgła. Zanim nastąpi ten poślizg, następuje szarpnięcie, czego efektem jest chwilowy skok przyspieszenia. W efekcie wartość wskaźnika dynamicznego dla małych prędkości podczas ruszania z miejsca jest zafałszowana, więc część wykresu należy pominąć (rysunek 5 - punkty w żółtej obwódce należy pominąć w dalszej analizie). Dodatek - wyznaczenie przyspieszenia Poniżej pokazano sposób wyznaczenia przyspieszenia. Do obliczeń użyto arkusz kalkulacyjny. Założono, że początkowo w kolumnie A znajdują się wartości prędkości otrzymane podczas pomiarów, wyrażone w km/h, a czas pomiędzy kolejnymi pomiarami wynosił 0,2 s. Poniżej pokazany jest fragment arkusza kalkulacyjnego z formułami, które mają na celu wyznaczenie przebiegu przyspieszenia. A B C D 1 15,5 =A1/3,6 =ŚREDNIA(B1:B10) 2 15,9 =A2/3,6 =ŚREDNIA(B2:B11) =(C2-C1)/0,2 3 16,2 =A3/3,6 =ŚREDNIA(B3:B12) =(C3-C1)/0,2 Formuły w kolumnie B służą do zmiany jednostki prędkości - z km/h na m/s. Ponieważ każdy punkt pomiarowy obarczony jest błędem przypadkowym, zarejestrowany przebieg prędkości zwykle jest poszarpany (niemonotoniczny) 6

i nie można wyznaczyć z niego bezpośrednio przyspieszenia. W celu wygładzenia przebiegu prędkości oblicza się średnią z kilku kolejnych punktów pomiarowych (kolumna C). Ilość komórek arkusza do uśredniania należy dobrać doświadczalnie, pamiętając, że zależy ona od wartości przyspieszenia i stopnia zniekształcenia zapisu. W kolumnie D jest już obliczane przyspieszenie z definicji przyspieszenia: a = dv dt v t. (32) W ten sposób mamy w kolumnie C prędkość w m/s i w kolumnie D przyspieszenie w m/s 2. W kolejnych kolumnach arkusza można zatem dopisywać kolejne formuły, konieczne do wykonania obliczeń. Ważnym problemem jest tu dobór długości przedziału zapisanej prędkości do uśredniania (w przykladzie - formuła w kolumnie C). Na rysunku 6 pokazano przebieg przyspieszenia obliczony bez wygładzenia przebiegu prędkości. Na rysunku 7 - z dobrze dobraną długością przedziału uśredniania, a na rysunku 8 - za dużą. Warto zauważyć, że taka metoda wygładzania zarejestrowanego przebiegu powoduje utratę końcowych punktór pomiarowych, tym większą, im większa długość przedziału uśredniania. Strzałką na rysunkach 7 i 8 oznaczono miejsce, od którego zapis na skutek uśredniania należy pominąć (jeżeli na przykład uśrenia się kolejnych 50 punktów pomiarowych, ostatnich 49 punktów nie można brać do dalszych obliczeń). Literatura [1] Arczyński S.: Teoria ruchu samochodu. Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1984. [2] Orzełowski S.: Eksperymentalne badania samochodów i ich zespołów. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1995. 7

Rysunek 6: Wygładzanie zapisu prędkości - przykład 1. Rysunek 7: Wygładzanie zapisu prędkości - przykład 2. Rysunek 8: Wygładzanie zapisu prędkości - przykład 3. 8