Физика и правила ДД

Содержание

Введение	3
Тормозной путь
Расчет тормозного пути и ограничение скорости	4
Выбор типа автомобильной резины.	7
Изменение коэффициента торможения при неправильно выбранной резине.	9
Прохождение поворотов	11
Зеркала заднего вида.
Отсутствие зеркал заднего вида.	15
Виды зеркал	15
Выбор автомобильных зеркал	17
Буксировка автомобиля.
Правила буксировки	18
Буксировка на жесткой сцепке	18
Буксировка на гибкой сцепке	19
Ограничения при буксировке автомобиля	20
Заключение	25

 

 

 

Введение

Разработка проекта «Физика и правила дорожного движения» (далее «ПДД») необходима, так как в настоящее время ПДД соблюдаются далеко не всеми и не всегда.  Несоблюдение правил, во многом, обусловлено непониманием причин введения того или иного правила. На наш взгляд, необходимо донести важность  соблюдения ПДД до всех участников дорожного движения (и водителей, и пешеходов), основывая ее на физических законах, чтобы доказать и показать, что правила написаны не на пустом месте, а основываются на законах физики и их несоблюдение  может привести к самым печальным последствиям. 

Целевая группа, на которую направлено применение результатов проекта, являются учащиеся 7-9 классов, изучающие физику.

Данная работа направлена на расширение и углубление знаний  учащихся в области физики, ПДД. А также поможет им увидеть взаимосвязь между жизнью и школьным предметом  и поможет избежать нарушения ПДД.

В связи с вышесказанным, разработка и реализация проекта  «Физика и ПДД» полезна и социально – значима.

Целью проекта является подбор материалов для создания серии занятий, направленных на демонстрацию учащимся 7 – 9 классов взаимосвязи физики и ПДД и их важности.

 Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Выделение точек соприкосновения физики и ПДД;
2. Подбор и анализ литературы;
3. Оформление проекта;
4. Представление полученных данных целевой аудитории.

 

 

 

1. Тормозной путь
4. Расчет тормозного пути и ограничение скорости

Согласно ПДД существует ограничение скорости движения автомобиля в черте города и за его пределами. Соответственно 60км/ч и 90 км/ч. Эти ограничения введены не случайно. Для того чтобы понять, почему введена данная норма, нужно рассмотреть физическую сторону явления торможения тела.

Массы в природе две: инертная и гравитационная

Инертная масса mи – масса, которая «отвечает» за сопротивление движению тела. Чем тяжелее тело, тем сложнее привести в его движение или остановить, если оно движется.

В механике об этом говорит 2-й закон Ньютона:

 

то есть ускорение (замедление) тела пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально инертной массе тела. Или в более привычной формулировке этот закон выглядит как

 

Инертная масса осложняет торможение. Это как раз то, о чем думает большинство водителей: чем тяжелее машина, тем сложнее ее остановить (а также и разогнать) и, якобы, тем длиннее тормозной путь. Остановить машину действительно сложнее, но тормозной путь есть возможность сохранить - для этого нужно лишь затратить больше энергии. В этом нам поможет второе понятие массы.

Гравитационная масса mг – масса, которая «отвечает» за взаимное притяжение тел, в частности, за притяжение тел к Земле. Чем тяжелее тело, тем больше сила тяготения и тем сильнее тело давит на опору (пол, дорогу и т.д.).

Об этом в механике говорит закон всемирного тяготения Ньютона:

 

Сила притяжения двух тел пропорциональна массам (гравитационным) этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Эта формула упрощается для тела в поле тяготения Земли:

 

где mг – гравитационная масса тела, а g – ускорение свободного падения, равное 9,81

Чем тяжелее машина, тем сильнее она давит на колеса, тем лучше прижимает их к дороге и тем лучше сцепление шин с дорогой. Согласно закону Кулона, сила трения покоя (в нашем случае – сила сцепления шин с дорогой) пропорциональна весу тела N:

 

где mг – гравитационная масса машины, k – коэффициент сцепления шин с дорогой, g – ускорение свободного падения.

Тогда, чем больше масса автомобиля, тем выше сила сцепления шин с дорогой и тем сложнее тормозам заблокировать колеса и пустить машину в «юз» (ну или включить АБС, если она есть).

 

 В итоге, инертная масса увеличивает инерцию машины, а гравитационная масса улучшает сцепление шин с дорогой и тормозной потенциал машины. Одно удлиняет тормозной путь, а другое пытается укоротить его. 

На языке физики процесс торможения выглядит как закон сохранения энергии:

 

т.е. кинетическая энергия машины с инертной массой mи и скоростью V при торможении переходит в тепло за счет работы силы трения Fтр, которая затрачивается на замедление машины на участке пути длиной S (тормозной путь).

Сила трения Fтр равна kmгg – произведение коэффициента трения k, гравитационной массы mг и ускорения свободного падения g. И сразу вопрос: о какой силе трения идет речь? О силе трения колодок о тормозной диск? Или о силе трения шины о дорогу? Вообще, первопричина торможения – сила трения колодок о диски. Но она не может превышать силу трения между шиной и дорогой: в этом случае шины начинают скользить, и, либо включается АБС, либо машина идет в «юз». После чего любое усиление нажатия на тормоз не дает выигрыша в торможении, и машина продолжает тормозить за счет трения шин о дорогу. Поэтому для случая экстренного торможения нужно считать, что сила трения колодок о диски равна силе сцепления шин с дорогой. И тогда k - коэффициент сцепления шин с дорогой, если шины на грани скольжения, или это коэффициент скольжения шин о дорогу, если колеса заблокированы, и машина тормозит юзом.

 

 Тогда подставим значения силы сцепления Fтр = k mг g в закон сохранения энергии:

 

Инертная и гравитационные массы равны. Эти массы имеют абсолютно разный физический смысл, но в килограммах это всегда одно и то же.

Тогда заменяем инертную и гравитационную массы на «просто массу»:

 

Теперь массы можно сократить, и останется:

 

Отсюда получаем тормозной путь, не зависящий от массы:

 

где V – скорость движения машины до начала торможения, k – коэффициент сцепления шин с дорогой, g – ускорение свободного падения.

Итак, с одной стороны, масса увеличивает инертность машины и создает препятствие тормозам. С другой стороны, масса увеличивает сцепление шин с дорогой и помогает тормозам. Эти два эффекта компенсируют друг друга в равной степени, и, в конечном итоге, масса не влияет на длину тормозного пути.

Рассмотрев внимательно полученную формулу, можно увидеть зависимость длины тормозного пути от скорости движения автомобиля. И сделать вывод, что чем меньше скорость, тем меньше длина тормозного пути, что можно проследить, изучив рис. 1. Именно этим обусловлено введение данных ограничений скорости.

Рис.1

5. Выбор типа автомобильной резины.

В ранее полученной формуле можно увидеть еще одну зависимость: зависимость длины тормозного пути от коэффициента трения. Чем больше коэффициент трения k, тем меньше тормозной путь.

Коэффициент трения зависит от множества факторов: от качества дорожного покрытия, погодных условий (дождь, снег, гололед или сухость), типа автомобильной резины и так далее. Рассмотрим фактор, на который способен оказать влияние автолюбитель – тип автомобильной резины.

Существует несколько типов автомобильной резины:

1. Зимняя
2. Летняя
3. Всесезонная

Рассмотрим каждый из них отдельно по следующим критериям:

1. Состав резины
2. Профиль
3. Рисунок протектора

Зимняя резина содержит в себе большое количество каучука, который позволяет шине быть более мягкой и эластичной. Благодаря этому она не затвердевает, что обеспечивает более надежное сцепление с дорогой.

Профиль покрышки должен быть высоким, так как зимой дорога из-за климатических условий разрушается и на ней появляется большое количество ям, о которых мы не знаем. Обнаружить ямы на зимней дороге – очень сложно, так как в ней может находиться рыхлый снег или вода, это не лето, когда мы знаем, где и какая яма.

Рисунок протектор (см рис.2) в свою очередь обеспечивает наилучшее сцепление с дорогой. Он должен быть редкий, глубокий с мелкими надсечками и выемками для прочного сцепления шин на скользком покрытии и на снежном накате, где шины «вгрызаются» в естественное покрытие дороги. Так же рисунок должен не выводить воду (как в летних шинах), а обеспечивать максимальное сцепление с дорогой образуя для этого большую площадь.

Стоит еще отметить, что существует два вида зимней резины: обычные зимние шины - «липучки» и шипованная - «шипы». Наиболее лучшим вариантом является шипованная резина, с минимально допущенной высотой шипов. Она эффективна как на снежной дороге, так и на гололёде. С другой стороны шипы очень неэффективны при торможении на сухом асфальте и очень сильно царапают его - приводя в негодность. Поэтому, если зимой нет гололёда, а в основном на дорогах снег или вообще расчищенный асфальт, то лучше всего отдать предпочтение липучкам.

Рис. 2. Слева обычная резина, справа шипованная

Летняя резина, по сравнению с зимней, содержит в себе меньшее количество каучука, что делает ее более жесткой.

Что касается профиля летних шин, то их выбирают в зависимости от того, где по большей части будет передвигаться данный автомобиль: по городу или за его пределами, и от максимальной скорости. Самой популярной является резина с широким профилем. Автомобиль с широкими колесами при движении по сухому покрытию прекрасно держит дорогу. Но езда по влажному покрытию становиться опасной, особенно если автомобиль с задним приводом. Широкие покрышки соприкасаются большей поверхностью с покрытием при одной и той же массе, а при увеличении площади соприкосновения относительная прижимная сила уменьшается пропорционально увеличению площади соприкосновения.

Рисунок протектора летней резины (см. рис. 3) не глубокий и широкий, без надсечек, что улучшает сцепление с асфальтом, так как поверхность дороги гладкая, а не рыхлая. Так же он позволяет отводить воду из пятна контакта шины с дорогой.

Рис. 3

Всесезонная же резина (см. Рис. 4) не является подходящей ни для зимы, ни для лета, так как в полной мере не выполняет требования для хорошей резины ни в том, ни в другом случае, а соответственно она не безопасна.

Рис. 4

6. Изменение коэффициента торможения при неправильно выбранной резине.

Рассмотрим три ситуации:

1. Движение на летней резине зимой. Как было сказано ранее, летняя резина более жесткая, чем зимняя. Следовательно, при отрицательной температуре летние шины станут «дубовыми», что приведет к плохому сцеплению с дорогой и как результат, к проскальзыванию колес на дороге. Из чего можно сделать вывод, что коэффициент трения будет минимальным, а значит, значительно будет увеличен тормозной путь автомобиля.
2. Движение на зимней обычной резине (липучках) летом. Ранее было отмечено, что зимняя резина много мягче летней из-за ее состава, что позволяет ей быть эластичной при отрицательных температурах. Но летом, когда температуры положительные, резина становится еще более мягкой и, конечно, это не коем образом не может ухудшить сцепление с дорогой, а даже напротив, увеличит его в небольшой степени. Следовательно коэффициент трения либо останется прежним, либо увеличится.
3. Движение на зимней шипованной резине летом. С шиповонной резиной происходит то же самое, что и с обычной (липучкой) резиной, но так как на ней имеются шипы, за счет них между дорожным покрытием и шиной возникает прослойка из воздуха, которая уменьшает сцепление. В связи с этим происходит проскальзывание, что обусловлено уменьшением коэффициента трения.