319. Зачем в гололедицу тротуары посыпают песком?
320. Зачем зимой задние колеса некоторых грузовых автомобилей перевязывают цепями?
321. Для чего при спуске воза с горы одно колесо телеги иногда закрепляют так, чтобы оно не вращалось?
322. Зачем на шинах автомашин, колесных тракторов делают глубокий рельефный рисунок (протектор)?
323. Зачем осенью у трамвайных линий, проходящих эколо парков, бульваров и садов, вывешивается предупреждающий знак «Осторожно, листопад!»?
324. Почему после дождя грунтовая дорога скользкая?
325. Почему после дождя опасно съезжать на автомобиле по грунтовой дороге под уклон?
Рис. 79
326. Зачем некоторые мастера смазывают мылом шуруп и винчиванием его в скрепляемые детали?
327. Зачем стапеля, по которым судно спускают в, обильно смазывают?
328. Для чего делается насечка около шляпки гвоздя?
329. Назовите одну-две детали велосипеда, изготовленных с учетом увеличения силы трения скольжения.
330. Какой вид трения возникает при движении каранда-н случаях, указанных на рисунке 78? Куда направлена сила трения по отношению к карандашу в случае а, в случае б-относительно книги?
331. Тележка с грузом движется (рис. 79). Какой вид иия возникает между: а) столом и колесами; б) грузом ккой; в) осями колес и корпусом тележки?
332. Почему кирпичи не скатываются вниз (рис. 80 и 81)? i сила удерживает их в состоянии покоя? Изобразите действующие на кирпичи.
333. Брусок двигают вправо (рис. 82). Куда направлена i трения скольжения по отношению к бруску; относимо поверхности, по которой движется брусок?
334. Лестница у стены занимает положение, изображении рисунке 83. Укажите направление силы трения в месте соприкосновения лестницы со стеной и полом.
Рис. 80
Рис. 81
Рис. 82
Рис. 83
Рис. 84
Рис. 85
Рис. 86
335. Брусок движется равномерно (рис. 84). Куда направлена: а) сила упругости горизонтальной части нити; б) вертикальной; в) сила трения скольжения относительно поверхности стола, относительно бруска; г) чему равна равнодействующая этих сил?
336. Колесо автомобиля буксует (рис. 85). Куда направлена сила трения скольжения между буксующим колесом и дорогой относительно: а) колеса; б) дороги? Куда направлена сила упругости дороги?
337. Книга прижата к вертикальной поверхности (рис. 86). Изобразите графически направления сил тяжести и трения покоя, действующих на книгу.
338. Тележка равномерно дви жется вправо (см. рис. 79). Какая ] сила приводит в движение груз, поставленный на нее? Куда направлена эта сила?
339. На транспортере равномерно движется ящик с грузом (без скольжения). Куда направлена сила трения покоя между лентой транспортера и ящиком, когда ящик: а) поднимается; б) движется горизонтально; в) опускается?
Рис. 87
340. Если автобус равномерно движется по горизонгаль-.iy участку пути, чему равна сила трения покоя?
341. Парашютист, масса которого 70 кг, равномерно опускается. Чему равна сила сопротивления воздуха, действуюют на парашютиста?
342. С помощью динамометра равномерно перемещают г’сок (см. рис. 82). Чему равна сила трения скольжения между бруском и поверхностью стола? (Цена деления динамометра 1 Н.)
343. Зубья пилы разводят в разные стороны от плоскости пилы. На рисунке 87 показаны пропилы, сделанные неразведенной и разведенной пилами. Какой пилой труднее пилить: разведенной или неразведенной? Почему?
344. Приведите примеры, когда трение приносит пользу и когда вред.
СИЛА ТРЕНИЯ И СИЛА СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ
Задание 400.
Зачем в гололедицу тротуары посыпают песком?
Ответ
Задание 401.
Зачем зимой задние колеса некоторых грузовых автомобилей перевязывают цепями?
Ответ
Задание 402.
Для чего при спуске воза с горы одно колесо телеги иногда закрепляют так, чтобы оно не вращалось?
Ответ
Задание 403.
Зачем на шинах автомашин, колесных тракторов делают глубокий рельефный рисунок (протектор)?
Ответ
Задание 404.
Зачем осенью у трамвайных линий, проходящих около парков, бульваров и садов, вывешивается предупреждающий знак «Осторожно, листопад!»?
Ответ
Задание 405.
Почему после дождя грунтовая дорога скользкая?
Ответ
Задание 406.
Почему после дождя опасно съезжать на автомобиле по грунтовой дороге под уклон?
Ответ
Задание 407.
Зачем некоторые мастера смазывают мылом шуруп перед ввинчиванием его в скрепляемые детали?
Ответ
Задание 408.
Зачем стапеля, по которым судно спускают в воду, обильно смазывают?
Ответ
Задание 409.
Для чего делается насечка около шляпки гвоздя?
Ответ
Задание 410.
Назовите одну-две детали велосипеда, изготовленные с учетом увеличения силы трения скольжения.
Ответ
Задание 411.
Какие силы трения возникают при движении карандаша в случаях, указанных на рисунке 93, а, б? Куда направлена сила трения, действующая на карандаш, относительно оси карандаша в обоих случаях?
Рис.93
Ответ
Задание 412.
Тележка с грузом движется (рис. 94). Какой вид трения возникает между:
А) столом и колесами;
б) грузом и тележкой;
в) осями колес и корпусом тележки?
Рис.94
Ответ
Задание 413.
Почему кирпичи не скатываются вниз (рис. 95 и 96)? Какая сила удерживает их в состоянии покоя? Изобразите силы, действующие на кирпичи.
Рис.95
Рис.96
Ответ
Задание 414.
Брусок двигают вправо (рис. 97). Куда направлена сила трения скольжения по отношению к бруску; относительно поверхности, по которой движется брусок?
Рис.97
Ответ
Задание 415.
Лестница у стены занимает положение, изображенное на рисунке 98. Укажите направление силы трения в местах соприкосновения лестницы со стеной и полом.
Рис.98
Ответ
Задание 416.
Брусок движется равномерно (рис. 99). Куда направлена:
А) сила упругости горизонтальной
части нити;
б) вертикальной;
в) сила трения скольжения, действующая на поверхность стола, на брусок;
г) чему равна равнодействующая этих сил?
Рис.99
Ответ
Задание 417.
Колесо автомобиля буксует (рис. 100). Куда направлена сила трения скольжения между буксующим колесом и дорогой, которая действует:
А) на колесо;
б) дорогу? Куда направлена сила упругости дороги?
Рис. 100
Ответ
Задание 418.
Книга прижата к вертикальной поверхности (рис. 101). Изобразите графически направления сил тяжести и трения покоя, действующих на книгу.
Рис. 101
Ответ
Задание 419.
Тележка равномерно движется вправо (см. ). Какая сила приводит в движение груз, поставленный на нее? Чему равна эта сила при равномерном движении?
Ответ
Задание 420.
На транспортере равномерно движется ящик с грузом (без скольжения). Куда направлена сила трения покоя между лентой транспортера и ящиком, когда ящик:
а) поднимается;
б) движется горизонтально;
в) опускается?
Ответ
Задание 421.
Если автобус равномерно движется по горизонтальному участку пути, чему равна сила трения покоя?
Ответ
Задание 422.
Парашютист, масса которого 70 кг, равномерно опускается. Чему равна сила сопротивления воздуха, действующая на парашютиста?
Ответ
Задание 423.
С помощью динамометра равномерно перемещают брусок (см. ). Чему равна сила трения скольжения между бруском и поверхностью стола? (Цена деления динамометра 1 Н.)
Ответ
Задание 424.
Зубья пилы разводят в разные стороны от плоскости пилы. На рисунке 102 показаны пропилы, сделанные неразведенной и разведенной пилами, Какой пилой труднее пилить: разведенной или неразведенной? Почему?
Рис. 102
Ответ
Задание 425.
Приведите примеры, когда трение приносит пользу и когда вред.
Ответ
Задание 426.
На уроке физкультуры мальчик равномерно скользит вниз по канату. Под действием каких сил осуществляется это движение?
Ответ
Задание 427.
Судно буксирует три баржи, соединенные последовательно одна за другой. Сила сопротивления воды для первой баржи 9000 Н, для второй 7000 Н, для третьей 6000 Н. Сопротивление воды для самого судна 11 кН. Определите силу тяги, развиваемую судном при буксировке этих барж, считая, что баржи движутся равномерно.
Решение и ответ
Задание 428.
На движущийся автомобиль в горизонтальном направлении действуют сила тяги двигателя 1,25 кН, сила трения 600 Н и сила сопротивления воздуха 450 Н. Чему равна равнодействующая этих сил?
Решение и ответ
Задание 429.
Можно ли однозначно утверждать, что приращение силы сопротивления ▲F равно 3 мН, если скорость тела, движущегося в некоторой среде с коэффициентом сопротивления 0,01, увеличилась на 0,3 м/с?
Ответ
Задание 430.
Троллейбус трогается с места и в течение 30 с приобретает импульс 15 10 4 кг м/с. Определите силу сопротивления движению, если развиваемая троллейбусом сила тяги равна 15 кН.
Решение и ответ
Задание 431.
На автомобиль массой 103 кг во время движения действует сила сопротивления, равная 10% от его веса. Чему должна быть равна сила тяги, развиваемая автомобилем, чтобы он двигался с постоянным ускорением 2 м/с 2 ?
Решение и ответ
Задание 432.
Конькобежец вначале движется по горизонтальному пути равномерно, а затем после разгона путь 60 м до остановки проезжает за 25 с. Чему равен коэффициент трения скольжения коньков по льду?
Решение и ответ
Задание 433.
Поезд массой 400 т движется со скоростью 40 км/ч и после торможения останавливается. Какова сила торможения, если тормозной путь поезда равен 200 м?
Решение и ответ
Задание 434.
Велосипедист, ехавший со скоростью 11 м/с, резко затормозил. Коэффициент трения скольжения шин о сухой асфальт равен 0,7. Определите ускорение велосипедиста при торможении; время торможения; тормозной пусть велосипедиста.
Решение и ответ
Задание 435.
Какую силу надо приложить в горизонтальном направлении к вагону массой 16 т, чтобы уменьшить его скорость на 0,6 м/с за 10 с; за 1 с? Коэффициент трения равен 0,05.
Решение и ответ
Задание 436.
С какой скоростью сможет ехать по горизонтальной плоскости мотоциклист, описывая дугу радиусом 83 м, если коэффициент трения резины о почву равен 0,4?
Всем механикам с юности памятна картинка со схемой движения автомобиля по кривой, когда его внешние колеса проходят больший путь, чем внутренние. С ее помощью во многих учебниках для водителей разъясняются назначение и принцип действия дифференциала. Часто все сводится к тому, что дифференциал позволяет ведущим колесам вращаться с различными скоростями и, таким образом, обеспечивает нормальное движение автомобиля на поворотах.
Такие разъяснения не то чтобы совсем неправильны, но слишком упрощены и сути работы дифференциала не раскрывают. Конечно, в серьезных книгах все изложено правильно. Там сказано, что назначение межколесного дифференциала на автомобиле состоит в распределении крутящего момента строго поровну между ведущими колесами одного моста, а межмостового дифференциала – в распределении крутящего момента между ведущими мостами, — поровну или в оптимальной пропорции (несимметричный дифференциал).
«Дифференциал – это механизм, у которого ведущие колеса вращаются независимо друг от дружки».
Строго говоря, вращаются они «зависимо», ну да ладно, — что-то похожее на правду сказано, а об остальном ни слова, чтобы не забивать голову людям без специальной подготовки.
Зеленин С.Ф., Молоков В.А. Учебник по устройству автомобиля, М., «Русьавтокнига», 2000 г., 80 с. Тираж 15000 экз.
Цитата из этой книги:
« Дифференциал предназначен для распределения крутящего момента между полуосями ведущих колес при повороте автомобиля и при движении по неровностям дороги. Дифференциал позволяет колесам вращаться с разной угловой скоростью и проходить неодинаковый путь без проскальзывания относительно покрытия дороги.
Иными словами 100% крутящего момента, который приходит на дифференциал, могут распределяться между ведущими колесами как 50 х 50, так и в другой пропорции (например, 60 х 40). К сожалению, пропорция может быть и 100 х 0. Это означает, что одно из колес стоит на месте (в яме), а другое в это время буксует (по сырой земле, глине, снегу).
Что поделаешь! Ничто не бывает абсолютно правильным и идеальным, зато данная конструкция позволяет автомобилю поворачивать без заноса, а водителю не менять каждый день напрочь изношенные шины.
Рис. 38 Главная передача с дифференциалом
1 — полуоси; 2 — ведомая шестерня; 3 — ведущая шестерня; 4 — шестерни полуосей; 5 — шестерни-сателиты
Это уже не упрощение, а просто введение в заблуждение читателей. Здесь, кроме второго предложения и иллюстрации, все неправда (в первом предложении нужно вставить слово «поровну», а точку поставить после слова «колес» и т.д.).
Только однажды в учебнике для профтехобразования мне довелось встретить правильное и при этом простое и наглядное разъяснение сути работы дифференциала. Было это давно и помню только, что это был учебник для водителей зерновых комбайнов.
Там читателю предлагалось вообразить, что две полуосевые конические шестерни «развернуты» в две зубчатые рейки, эти рейки лежат на воображаемом столе, а между ними помещен сателлит в виде прямозубой шестерни. Выглядит это примерно так:
Объяснение сути работы дифференциала основано на его конструкции и на третьем законе Ньютона, который гласит: сила действия равна по модулю и противоположна по направлению силе противодействия. На следующем рисунке показано силовое взаимодействие сателлита с рейками, когда движущая сила Д приложена к оси сателлита и этот сателлит толкает обе рейки по столу, причем силы сопротивления движению левой и правой реек С лев и С прав одинаковы (силы трения реек о поверхность воображаемого стола) и каждая из них равна половине общей силы сопротивления С. Силы со стороны сателлита передаются на рейки в точках зацепления зубьев сателлита с зубьями реек. Благодаря равенству сил сопротивления движению С лев и С прав, равны между собой и движущие силы на зубьях сателлита, каждая из которых равна половине движущей силы Д. Поскольку равные силы приложены к двум зубьям сателлита, находящимся на равных расстояниях от его оси, сателлит находится в равновесии и не вращается. Поэтому все три детали движутся прямолинейно в одну сторону и с равными скоростями, а именно с той скоростью, с какой движется ось сателлита и которая задана двигателем.
Эта ситуация соответствует установившемуся движению автомобиля по дороге с хорошим сцеплением с дорогой.
Теперь представим, что при своем движении по столу, левая рейка «наехала» на пятно масла. При этом сила сопротивления ее движению (сила трения о стол) уменьшилась, а сила сопротивления движению правой рейки осталась прежней. На какой-то момент равновесие сил на зубьях сателлита нарушается: нагрузка на левый его зуб становится меньше нагрузки, действующей на его правый зуб. Иначе говоря, сателлиту стало легче толкать левую рейку, чем правую. Поэтому он начинает вращаться по часовой стрелке, как это показано на следующем рисунке.
Благодаря вращению сателлита движение правой рейки замедляется, а левая рейка наоборот ускоряется. Затем правая рейка полностью останавливается, а сателлит продолжает вращаться. Его ось продолжает двигаться с той же скоростью, что и прежде, так как эта скорость задана двигателем. Но поскольку правая рейка стоит, вращающийся сателлит обкатывается по ней. В момент, показанный на рисунке правый зуб сателлита стоит на месте, так как «упирается» в зуб неподвижной рейки. Но противоположный, левый зуб сателлита движется в два раза быстрее, чем ось самого сателлита. Все это соответствует ситуации, когда одно из ведущих колес медленно движущегося автомобиля наезжает, например, на обширное пятно льда, а второе остается на сухом покрытии с хорошим сцеплением. То есть машина останавливается и колесо, находящееся на льду, буксует, вращаясь в два раза быстрее, чем прежде, когда оба колеса катились с одинаковой скоростью.
Строго говоря, о нарушении равновесия сил на зубьях сателлита выше сказано некорректно и только потому, что, как мне кажется, так проще понять происходящее. На самом деле равновесие сил сохраняется всегда, только для его рассмотрения нужно еще учитывать силы, вызывающие ускорение левой рейки и замедление правой. Эти не рассматриваемые нами силы, исчезают с момента полной остановки правой рейки. В этот же момент удвоенная скорость движения левой рейки становится постоянной. И тогда ситуация полностью соответствует следующему рисунку.
Здесь равновесие сил восстановилось, точнее, — исчезли динамические силовые составляющие (те, что вызывали ускорение одной рейки и замедление другой). Правая рейка стоит, сателлит вращается, а левая рейка движется равномерно с удвоенной скоростью. Очень важно отметить что, равновесие сил перешло на новый уровень. Теперь равные силы на левом и правом зубьях сателлита стали существенно меньше прежних. В силу третьего закона Ньютона эти силы не могут превысить движущую силу, которую можно приложить к рейке, находящейся на пятне масла, или к колесу, находящемуся на пятне льда. Иными словами, если одно колесо стоит на сухой дороге, а противоположное буксует на льду или в грязи, это вовсе не означает, что 100% крутящего момента передается от двигателя на буксующее колесо, как сказано в упомянутой выше книге. Этот момент всегда и во всех условиях делится дифференциалом поровну между колесами, но он не может быть больше, чем позволяет сцепление одного из колес с дорогой, причем именно того колеса, у которого это сцепление меньше.
Только если в этих условиях заблокировать дифференциал, то есть выключить его из работы, тем или иным способом жестко соединив между собой полуоси, можно передать на колесо, стоящее на сухой дороге, подавляющую часть крутящего момента, который может развить двигатель. При этом буксование прекратится, оба колеса будут вращаться с одинаковой скоростью, но подавляющую часть суммарной силы тяги будет обеспечивать только одно из этих колес.
Мне кажется, что с помощью модели с зубчатыми рейками можно наглядно объяснить и все прочие режимы работы межколесного дифференциала. Например, ситуацию, иногда возникающую при торможении двигателем. Представим, что автомобиль движется под уклон на сухой дороге с пятнами льда. Водитель тормозит двигателем. В этом случае движущая сила, это сила инерции массы машины. А сила сопротивления движению, это сила, приложенная к осям сателлитов дифференциала со стороны двигателя. Одно из колес наезжает на пятно льда. Сила сцепления этого колеса с дорогой резко уменьшается, и оно начинает вращаться в обратную сторону. Здесь происходит то же самое, что произойдет с рейками если ось сателлита сделать неподвижной, но оставить ему свободу вращения вокруг этой оси, то есть имитировать ситуацию, когда ось сателлита тормозится или удерживается двигателем. Если теперь двинуть вперед одну из зубчатых реек, то сателлит начнет вращаться и заставит вторую рейку двигаться назад. Здесь рейка, движимая вперед, соответствует колесу на сухой дороге, а рейка, движущаяся назад, — колесу, находящемуся на льду и вращающемуся в обратную сторону. На мой взгляд, вращение буксующего колеса в обратную сторону очень наглядно демонстрирует «стремление» дифференциала выполнить свое предназначение и выровнять силы на двух колесах ведущего моста. В данном случае это силы торможения. Благодаря их выравниваю исключается или сильно снижается вероятность заноса автомобиля при таком режиме торможения.
Можно рассматривать еще многие ситуации, возникающие при работе дифференциала. Но полагаю, что и сказанного достаточно, чтобы убедиться: — межколесный дифференциал всегда делит получаемый от двигателя крутящий момент поровну между двумя колесами одного ведущего моста.
А теперь вернемся к упомянутой в самом начале картинке с автомобилем, движущемся по кривой. Если автомобиль заднеприводной, то получающие одинаковый крутящий момент два задних колеса преобразуют эти крутящие моменты в две одинаковые силы тяги (если шины колес имеют одинаковый диаметр, одинаковое давление накачки и несут одинаковые части веса автомобиля). А две одинаковые силы тяги стремятся толкать автомобиль по прямой. Именно поэтому, водителю при прохождении поворота приходится твердо удерживать рулевое колесо. Строго говоря, дифференциал на таком автомобиле не столько помогает, сколько мешает прохождению поворота. Зато он прямо способствует устойчивости движения по прямой (вместе с углами установки передних колес).
У переднеприводного автомобиля ситуация несколько иная. Здесь силы тяги также одинаковы на двух колесах, но они «поворачиваются» вместе с поворачиваемыми колесами. Поэтому, например, переднеприводной машине легче выйти из глубокой скользкой колеи: повернутые передние ведущие колеса активно тянут куда нужно. А у заднеприводного, задние ведущие колеса активно толкают машину вдоль колеи.
Здесь рассмотрена лишь малая часть того, что следовало бы водителям знать о работе дифференциала и на это потребовалось много слов и картинок. Так может быть правы те, кто ограничивается пресловутой картинкой с разным пробегом у разных колес на повороте? Может быть. Но полагаю, что следует, если и не вдаваться в пространные разъяснения, то хотя бы просто написать, для чего действительно предназначен этот механизм. А кто захочет дойти до сути, найдет, где об этом почитать. И уж совсем ни к чему пропагандировать собственное неверное понимание этой сути.
Задача по физике - 5700
2017-12-15
Как направлена сила трения, действующая на ведущие колеса автомобиля, при разгоне (а), торможении (б), повороте (в)? Равна ли эта сила своему максимальному значению $\mu N$ ($\mu$ - коэффициент трения, $N$ - сила реакции полотна дороги), и если да, то в каких ситуациях? А в каких ситуациях нет? Хорошо это, или плохо, если сила трения достигает своего максимального значения? Почему? Какой автомобиль может развивать на дороге большую мощность - передне- или заднеприводный - при одинаковой мощности мотора и почему? Считать, что масса автомобиля распределена равномерно, и его центр тяжести находится посередине.
Решение:
Обсудим сначала вопрос о роли силы трения в движении машины. Представим себе, что водитель машины, стоящей на гладком-гладком льду (сила трения между колесами и льдом отсутствует), нажимает на педаль газа. Что будет происходить? Ясно, что машина ехать не будет: колеса будут вращаться, но будут пробуксовывать относительно льда - ведь трения-то нет. Причем это будет происходить независимо от мощности двигателя. А это значит, что для того, чтобы мощность двигателя использовать, нужно трение - без него машина не поедет.
Что же происходит, когда сила трения есть. Пусть сначала она очень маленькая, а водитель стоящей машины снова нажимает на педаль газа? Колеса (речь сейчас идет о ведущих колесах автомобиля, допустим это передние колеса) проскальзывают относительно поверхности (трение - маленькое), вращаясь так, как показано на рисунке, но при этом возникает сила трения, действующая со стороны дороги на колеса, направленная вперед по ходу движения машины. Она и толкает машину вперед.
Если сила трения большая, то при плавном нажатии на педаль газа колеса начинают вращаться, и как бы отталкиваются от шероховатостей дороги, используя силу трения, которая направлена вперед. При этом колеса не проскальзывают, а катятся по дороге, так, что нижняя точка колеса не перемещается относительно полотна. Иногда и при большом трении колеса пробуксовывают. Наверняка, вы сталкивались с ситуацией, когда какой-нибудь «сумасшедший водитель» так трогается при включении зеленого сигнала светофора, что колеса «визжат», а на дороге остается черный след из-за скольжения резины по асфальту. Итак, в экстренной ситуации (при резком торможении или трогании с побуксовкой) колеса скользят относительно дороги, в обычных случаях (когда на дороге не остается черного следа от стирающихся покрышек) колесо не скользит, а только катится по дороге.
Итак, если машина едет равномерно, то колеса не скользят по дороге, а катятся по ней так, что нижняя точка колеса покоится (а не проскальзывает) относительно дороги. Как в этом случае направлена сила трения? Сказать, что противоположно скорости машины - неверно, ведь говоря так про силу трения, подразумевают случай скольжения тела относительно поверхности, а сейчас у нас скольжения колес относительно дороги нет. Сила трения в этом случае может быть направлена как угодно, и мы сами определяем ее направление. И вот как это происходит.
Представим себе, что нет никаких препятствующих движению машины факторов. Тогда машина движется по инерции, колеса вращаются по инерции, причем угловая скорость вращения колес связана со скоростью движения машины. Установим эту связь. Пусть колесо движется со скоростью $v$ и вращается так, что нижняя точка колеса не проскальзывает относительно дороги. Перейдем в систему отсчета, связанную с центром колеса. В ней колесо как целое не движется, а только вращается, а земля движется назад со скоростью $v$. Но поскольку колесо не проскальзывает относительно земли, то его нижняя точка имеет такую же скорость как земля. А значит, и все точки поверхности колеса вращаются относительно центра со скоростью $v$ и, следовательно, имеют угловую скорость $\omega = v / R$, где R - радиус колеса. Переходя теперь назад в систему отсчета, связанную с землей, заключаем, что при отсутствии проскальзывания между нижней точкой колеса и дорогой угловая скорость колеса $\omega = v / R$, а все точки поверхности имеют разные скорости относительно земли: например, нижняя точка - нулевую, верхняя $2v$ и т. д.
А пусть водитель при таком движении машины нажимает на педаль газа. Он заставляет колесо вращаться быстрее, чем нужно при данной скорости машины. Колесо стремится проскользнуть назад, возникает сила трения, направленная вперед, которая и разгоняет машину (машина как бы отталкивается от шероховатостей дороги, используя силу трения). Если водитель нажимает на педаль тормоза, колесо стремится вращаться медленнее, чем нужно при данной скорости машины. Возникает сила трения, направленная назад, которая тормозит машину. Если водитель поворачивает колеса машины, возникает сила трения, направленная в сторону поворота, которая машину поворачивает. Таким образом, управление машиной - разгоном, торможением, поворотом - основано на правильном использовании силы трения, причем, конечно, подавляющее большинство водителей об этом даже не догадываются.
Ответим теперь на вопрос: равна ли эта сила своему максимальному значению? Вообще говоря, нет, поскольку нет скольжения колеса относительно дороги, а сила трения равна максимальному значению при скольжении. В покое сила трения может принимать любые значения от нуля до максимального $\mu N$, где $\mu$ - коэффициент трения; $N$ - сила реакции опоры. Поэтому если мы разгоняемся (сила трения направлена вперед), но хотим увеличить темп разгона, мы сильнее нажимаем на педаль газа, и увеличиваем силу трения. Аналогично, если мы тормозим (сила трения направлена назад), но хотим увеличить степень торможения, мы сильнее нажимаем на тормоз и увеличиваем силу трения. Но ясно, что ее можно увеличить и в том и в другом случае, если она не была максимальной! Таким образом, для управления машиной сила трения не должна равняться максимальному значению, и эту разность мы используем для совершения тех или иных маневров. И любой водитель (даже если он ничего не знает про силу трения, а таких, конечно, подавляющее большинство) интуитивно чувствует, есть ли у него резерв силы трения, «далеко» ли машина от пробуксовки, и есть ли возможность ей управлять.
Тем не менее, есть одна ситуация, когда сила трения равна своему максимальному значению. Эта ситуация называется заносом. Пусть водитель резко затормозил на скользкой дороге. Машина начинает скользить по дороге, это состояние движения и называется заносом. В этом случае сила трения направлена противоположно скорости (назад) и равна своему максимальному значению. Это ситуация очень опасна, ведь машина АБСОЛЮТНО неуправляема. Мы не можем повернуть (хоть как-то, хоть чуть-чуть), ведь для поворота нам нужна сила трения, направленная в сторону поворота, а в нашем распоряжении ее нет - сила трения максимальна и направлена назад. Мы не можем увеличить скорость торможения (невозможно увеличить силу трения - она и так максимальна), не можем (даже если бы мы захотели этого в такой ситуации) ускориться. Мы не можем ничего! Ситуация осложняется еще и тем, что в состоянии заноса машину никто не «держит» на дороге. Почему машина в обычных условиях не съезжает в кювет, ведь полотно дороги всегда делается покатым к обочинам, чтобы стекала вода? Ее держит сила трения, а вот если машина скользит (занос) сила трения направлена противоположно скорости и никак иначе. Поэтому любое «боковое» возмущение - покатость дороги, небольшой камень под одним из колес - могут развернуть или сбросить машину на обочину. Никогда не допускайте заноса1.
Теперь сравним мощность, которую могут развивать на дороге передне- и заднеприводной автомобили с одинаковым мотором. Очевидно, что мощность, которую может развивать автомобиль на дороге, зависит не только от его двигателя, но и от того, как автомобиль «использует» силу трения. Действительно, в отсутствие силы трения автомобиль стоял бы на месте (с вращающимися колесами) независимо от мощности двигателя (вращающего эти колеса). Докажем, что заднеприводные автомобили мощнее переднеприводных при одинаковой мощности мотора и оценим отношение мощностей, которые может развивать двигатель, разгоняя машину на дороге (при условии, что мощность самого двигателя может быть очень большой).
Разгоняет автомобиль сила трения, действующая на ведущие колеса, а она не может превышать значения $\mu N$ ($N$ - сила реакции). Поэтому чем больше сила реакции, тем больших значений может достигнуть разгоняющая сила трения (а нажатие на педаль газа в ситуации, когда сила трения достигла максимума, приведет только к проскальзыванию и к заносу, но не к увеличению мощности, которую развивает двигатель). Найдем силы реакции для задних и передних колес машины. Силы, действующие на машину при разгоне, показаны на рисунках (на правом - для заднеприводной, на левом - для переднеприводной). На машину действуют: сила тяжести, силы реакции и сила трения. Поскольку машина движется поступательно, сумма моментов всех сил относительно ее центра тяжести равна нулю. Поэтому, если центр тяжести машины находится точно посередине машины, расстояние между задними и передними колесами $l$, а высота центра тяжести над дорогой $h$, условие равенства нулю суммы моментов относительно центра тяжести дает (при условии, что машина движется, развивая максимальную мощность на максимуме силы трения):
переднеприводная машина
$N_{1} \frac{l}{2} = N_{2} \frac{l}{2} + F_{тр} h = N_{2} \frac{l}{2} + \mu N_{2} h$, (1)
заднеприводная машина
$N_{1} \frac{l}{2} = N_{2} \frac{l}{2} + F_{тр} h = N_{2} \frac{l}{2} + \mu N_{1}h$, (2)
где $\mu$ - коэффициент трения. Учитывая, что и в том и в другом случае $N_{1} + N_{2} = mg$, из (1) найдем силу реакции для передних колес в случае переднеприводного автомобиля
$N_{2}^{пп} = \frac{mgl/2}{l + \mu h}$ (3)
и из (2) силу реакции задних колес в случае заднего привода
$N_{1}^{зп} = \frac{mgl/2}{l - \mu h}$ (4)
(здесь (пп) и (зп) - передний и задний привод). Отсюда находим отношение сил трения, разгоняющих передне- и заднеприводную машину, и, следовательно, отношение мощностей, которые может развивать на дороге их двигатель
$\frac{P^{(пп)}}{P^{зп}} = \frac{l - mu h}{l + \mu h}$. (5)
Для значений $l = 3 м, h = 0,5 м$ и $\mu = 0,5$ имеем из (5)
$\frac{P^{(пп)}}{P^{(зп)}} = 0,85$.