Kolesarska fizika (1) Zunanje sile na kolesarja in kolo pri vožnji po ...

Kolesarska fizika (1)Barbara RovšekPedagoška fakulteta, LjubljanaO čem lahko govorimo in kje lahkouporabimo …• Sile• Newtonovi zakoni (vsi trije)• Trenje in lepenje• Upor pri gibanju skozi zrak• ~ klada na klancu• Težišče• Tlak• Gostota• Delo in energija – potencialna, kinetična, energijskepretvorbe• Prožnostna energija• Energijski viri• Notranja energija (tudi: zakaj čelada?)• Prevajanje toplote• Enakomerno in enakomerno pospešeno gibanje• Lepenje prikolesarjenju• Zračni upor• Kotalno trenje• Tlak (v zračnicah)Kolesarska fizika 1Zunanje sile na kolesarja in kolopri vožnji po ravnempravokotnena podlago:•teža• sila podlage–pravokotnakomponentaF = F + Fgp1p2F p1F gF p21

Zunanje sile na kolesarja in kolopri vožnji po ravnemvzporednes podlago:•zračni upor• sila podlage– trenje(običajno, kospodrsava,kotalno, ko sekotali)– lepenje (prikotaljenju)F kt1F uF kt2Odriv – 3. Newtonov zakonzakon akcije - reakcije• Skok v višino z mesta – pri odrivu samipovzročimo povečano silo naših nog na tla– tla delujejo z nasprotno enako silo nanaše noge… (tenziometrična plošča)•Zračnice se odrivajo od tal – delujejo napodlago s silo – podlaga deluje znasprotno enako silo na zračnice…Lepenje – velikost in smer sile?Lepenje – velikost in smer sile?Kolesarka vozipo ravnem:a) enakomerno,v = konst∑ F = 0F = F + F + Flp2ukt1kt2F kt1F lp2F uF kt2Kolesarka vozipo ravnem:b) pospešuje –se še dodatnoodriva od tal∑ F = m apospešek:ek:F kt1m a = F − ( F + F + F ) kt2lp2ukt1F lp2F uF kt22

Lepenje – velikost in smer sile?Lepenje – velikost in smer sile?Kolesarka vozipo ravnem:c) se nepoganja, nitine zaviraSile lepenjaskoraj ni.pojemek:m a = F + F + Fukt1kt2F kt1F uF kt2Kolesarka vozipo ravnem:č) zavira - seupira ob tlapojemek:lp1lp2F lp1uF kt1Fm a = F + F + F + F +kt1kt2F uF lp2F kt2Zračni upor• Hitrost > 15 km/h: sila zračnega upora >vseh ostalih zaviralnih sil• Hitrost > 25 km/h: upor zraka = 80%zaviralnih sil – neverjetno?• Aerodinamične oblike športnih avtomobilovin ne-aerodinamične oblike padal… prostipad?Zračni upor:gostota zrakakoeficient upora=S =v =c u0,250,41,30,5 - 0,91Fu= ρ c23ρ = 1,2 kg/mS v(športno oblikovan avto)(krogla)(padalo)(kolesar)presek telesa, pravokoten na smer gibanjahitrost telesa (glede na zrak)u23

Bernoullijeva enačba, zastojni tlak:1 21 2ρ v1+ ρ g h1+ p1= ρ v2+ ρ g h2+221F u Δ2p S = ρ v20S c= uMikroskopska slika, trki zlahkimi molekulami v zraku:v … čim večja je spremembahitrosti, tem večja je silav … čim večja je hitrost, s tem večmolekulami trčip2Kako kolesar zmanjša zračni upor:• sklonjen nizko naprejzmanjša prečnipresek• oprijeta gladkaoblačila – zrak polzi• aerodinamičnooblikovana čeladaKolikšna je sila zračnega upora?Deloρ = 1,2 kg/mc u= 0,5S = 0,4 m1231Fu= ρ cu2v = 10 km/h = 2,78 m/sF = 2,6 N1S v210,3 N2,6 N23 NKoliko dela opravikolesar naokolišnjem zraku,če kolesari shitrostjov na poti s?A = Fu⋅ s =1 ρ c2uSv2s4

Koliko dela opravi kolesar na 1 km dolgi poti?(ob premagovanju zračnega upora)Moč:1 kg vode se segreje zav1 = 10 km/h ⇒ A1= 926 Jv = 20 km/h ⇒ A2v = 30 km/h ⇒ A32=3=3700 J8350 J0 ,22°C0 ,88°C1 ,99°C9,3 s37 s83,5 sP =At=F ⋅ st1= F ⋅ v = ρ c2uS v3s = 1 kmcu= 0,5S = 0,4 m2ρ = 1,2 kg/m3toliko časasveti100 Wžarnica(ali TV)v = 10 km/h1v = 20 km/h2v = 30 km/h3⇒⇒⇒P = 2,6 W1P = 21 W2P = 70 W3Hitrost: + 1km/hv1 = 10 km/h →11 km/h ⇒ ΔP1= 0,85 Wv2 = 20 km/h → 21 km/h ⇒ ΔP2= 3,2 Wv3 = 30 km/h → 31 km/h ⇒ ΔP3= 7,2 WZračni upor, ko piha veterveter v hrbet:veter v čelo:Zavetrje, vožnja v skupini!poljubna (vodoravna) smer, velikost sile upora:smer sile:5

Veter z bokasistem, v kateremmiruje zrakVeter z bokaS trigonometričnimi funkcijamiS podobnimi trikotniki in Pitagorovim izrekomsistem, v kateremmirujejo tlaSila upora v brezvetrju:Vzporedna komponenta upora v bočnem vetru:Kotalno trenjePo idealno togi ravni podlagi se kotaliidealno tog valj – kotalnega trenja NI.TOG valj in TOGA podlaga:mehanska energija kotalečegaegase valja SE OHRANJA.6

Kotalno trenje:• Ne povsem tog in nepovsem prožen valj,in/ali• Ne povsem toga inne povsem prožnapodlagaKotalno trenjeMehanska energijakotalečega ega se valjaSE IZGUBLJA.Kotalno trenjeZaviralne sile, ki so posledica neprožnihdeformacij zračnic (notranje trenje) in podlage.• Grob profil zračnic (ne nujnoširok)• Mehka, negladka, groba podlaga– blato, mivka, makadam, trava,penasta guma, …• Slabo napihnjene zračnice• Majhna kolesaModel: kotaljenje votlega valja,delno napolnjenega z mivko.Kotalno trenjeNeodvisno od hitrosti: F kt = konst.13P = Pu + Pkt= ( Fu+ Fkt) ⋅ v = ρ cuS v + F2ktvMerjenje sile upora F kt zaradi kotalnega trenjav = 10 km/h → v = 5 km/h, Δv= 5 km/hzkmerimo čas, izračunamo pojemek Δva =t2. Newtonov zakon F kt= m ⋅ a (ne upoštevamozračnega upora)Napaka < 1% -hitrost < 0,7 m/s = 2,5 km/hB. Golli, Fizika v šoli 4 (1998)masa kolesarja in kolesam = 70 kg7

Sila upora F ktzaradi kotalnega trenjaS čim, po čem,tlak v gumahgorsko, asfalt,3,5 baragorsko, asfalt,1,8 baragorsko, suhamivka, 3,5 baragorsko, mokramivka, 3,5 baracestno kolo,asfaltt [s]20133828F kt[N]4,97,532123,5F u= 2,6 N,10,3 N,23 NDelavnica:• Merjenje koeficienta kotalnega trenja– Tlak v zračnicah– Podlaga (gladka, penasta guma)– Teža kolesa in kolesarja– (profil zračnic)• Velikost stičneploskve– Tlak v zračnicah– Teža kolesa inkolesarjaKolesarska fizika (2)• Po klancih gor in dol•Težišče• Vztrajnostnamasa incena bicikla• Blažilcitresljajev• Ravnotežje invrtilna količina•…8