Определение наименьшего ускорения автомобиля. Теория движения автомобиля: основные элементы Безопасная дистанция между автомобилями

Одним из важнейших показателей динамических качеств автомобиля является интенсивность разгона - ускорение .

При изменении скорости движения возникают силы инерции, которые автомобилю необходимо преодолеть для обеспечения заданного ускорения. Эти силы вызваны как поступательно движущимися массами автомобиля m , так и моментами инерции вращающихся деталей двигателя, трансмиссии и колес.

Для удобства проведения расчетов пользуются комплексным показателем - приведенными силами инерции :

где δ вр - коэффициент учета вращающихся масс.

Величина ускорения j = dv/dt , которое может развить автомобиль при движении по горизонтальному участку дороги на заданной передаче и с заданной скоростью, находится в результате преобразования формулы для определения запаса мощности, которая расходуется на разгон:

,

или по динамической характеристике:

D = f +
.

Отсюда: j =
.

Для определения ускорения на подъеме или спуске пользуются формулой:

Способность автомобиля к быстрому разгону особенно важна в условиях городской езды. Увеличенные ускорения для автомобиля могут быть получены за счет увеличения передаточного числа u 0 главной передачи и соответствующего выбора характеристики изменения крутящего момента двигателя.

Максимальное ускорение при разгоне находится в пределах:

Для легковых автомобилей на первой передаче 2,0…3,5 м/с 2 ;

Для легковых автомобилей на прямой передаче 0,8…2,0 м/с 2 ;

Для грузовых автомобилей на второй передаче 1,8…2,8 м/с 2 ;

Для грузовых автомобилей на прямой передаче 0,4…0,8 м/с 2 .

Время и путь разгона автомобиля

Величина ускорения в ряде случаев не является достаточно наглядным показателем способности автомобиля к разгону. Для этой цели удобно применять такие показатели, как время и путь разгона до заданной скорости и графики, отображающие зависимость скорости от времени и пути разгона.

Так как j = , тоdt = .

Отсюда путем интегрирования полученного уравнения находим время разгона t в заданном интервале изменения скоростей отv 1 доv 2 :

.

Определение пути разгона S в заданном интервале изменения скоростей осуществляют следующим образом. Так как скорость является первой производной пути по времени, то дифференциал путиdS=v·dt , или путь разгона в интервале изменения скоростей отv 1 доv 2 равен:

.

В условиях реальной эксплуатации автомобиля затраты времени на операции переключения передач и буксование сцепления увеличивают время разгона по сравнению с теоретическим (расчетным) его значением. Время, затрачиваемое на переключение передач, зависит от конструкции коробки передач. При применении автоматической коробки передач это время практически равно нулю.

Кроме того, разгон не все время происходит при полной подаче топлива , как это предполагается в изложенном методе. Это также увеличивает реальное время разгона.

При применении механической коробки передач важным моментом является правильный выбор наиболее выгодных скоростей переключения передач v 1-2 , v 2-3 и т.д. (см. раздел «Тяговый расчет автомобиля»).

Для оценки способности автомобиля к разгону в качестве показателя используют также время разгона после трогания с места на пути в 100 и 500 м .

Построение графиков ускорений

В практических расчетах принимают, что разгон происходит на горизонтальной дороге с твердым покрытием. Сцепление включено и не пробуксовывает. Орган управления режимом работы двигателя находится в положении полной подачи топлива. При этом обеспечено сцепление колес с дорогой без пробуксовывания. Предполагается также, что изменение параметров двигателя происходит по внешней скоростной характеристике.

Полагают, что разгон для легковых автомобилей начинается с минимально устойчивой скорости на низшей передаче порядка v 0 = 1,5…2,0м/с до значенийv т = 27,8м/с (100км/ч ). Для грузовых автомобилей принимают:v т = 16,7м/с (60км/ч ).

Последовательно, начиная со скорости v 0 = 1,5…2,0м/с на первой передачи и последующих передачах, на динамической характеристике (рис.1) для выбранных по оси абсциссv расчетных точек (не менее пяти) определяют запас динамического фактора при разгоне как разность ординат (D – f) на различных передачах. Коэффициент учета вращающихся масс (δ вр ) для каждой передачи подсчитывают по формуле:

δ вр = 1,04 + 0,05·i кп 2 .

Ускорения автомобиля определяют по формуле:

j =
.

По полученным данным строят графики ускорений j=f(v) (рис.2).

Рис.2. Характеристика ускорений автомобиля.

При правильном расчете и построении кривая ускорений на высшей передаче пересечет абсциссу в точке максимальной скорости. Достижение максимальной скорости происходит при полном использовании запаса динамического фактора: D – f = 0 .

Построение графика времени разгона t = f(v)

Этот график строят, используя график ускорения автомобиля j=f(v) (рис.2). Шкалу скоростей графика разгона разбивают на равные участки, например, через каждый 1м/с , и из начала каждого участка проводят перпендикуляры до пересечения с кривыми ускорения (рис.3).

Площадь каждой из полученных элементарных трапеций в принятом масштабе равна времени разгона для данного участка скорости, если считать, что на каждом участке скорости разгон происходит с постоянным (средним) ускорением:

j ср = (j 1 + j 2 )/2 ,

где j 1 , j 2 - ускорения соответственно в начале и в конце рассматриваемого участка скоростей,м/с 2 .

В данном расчете не учитывается время на переключение передач и другие факторы, приводящие к завышению времени разгона. Поэтому вместо среднего ускорения принимают ускорение j i в начале произвольно взятого участка (определяют по шкале).

С учетом сделанного допущения время разгона на каждом участке приращения скоростиΔv определится как:

t i =Δv/j i ,с .

Рис. 3. Построение графика времени разгона

По полученным данным строят график времени разгона t = f(v) . Полное время разгона отv 0 до значенийv т определяют как сумму времени разгона (с нарастающим итогом) по всем участкам:

t 1 =Δv/j 1 , t 2 =t 1 +(Δv/j 2 ) ,t 3 = t 2 +(Δv/j 3 ) и так далее доt т конечного времени разгона:

.

При построении графика времени разгона удобно пользоваться таблицей и принять Δv = 1м/с .

Напомним, что построенный (теоретический) график разгона (рис.4) отличается от действительного тем, что не учтено реальное время на переключение передач. На рис.4 время (1,0 с ) на переключение передач отображено условно для иллюстрации момента переключения.

При использовании механической (ступенчатой) трансмиссии на автомобиле действительный график времени разгона характеризуется потерей скорости в моменты переключения передач. Это также увеличивает время на разгон. У автомобиля с коробкой передач с синхронизаторами интенсивность разгона выше. Наибольшая интенсивность у автомобиля с автоматической бесступенчатой трансмиссией.

Время разгона отечественных легковых автомобилей малого класса с места до скорости 100 км/ч (28м/с ) составляет порядка 13…20с . Для автомобилей среднего и большого класса оно не превышает 8…10с .

Рис. 4. Характеристика разгона автомобиля по времени.

Время разгона грузовых автомобилей до скорости 60 км/ч (17м/с ) составляет 35…45с и выше, что свидетельствует о недостаточной их динамичности.

км/ч составляет 500…800м .

Сравнительные данные по времени разгона автомобилей отечественного и зарубежного производства приведены в табл. 3.4.

Таблица 3.4.

Время разгона легковых автомобилей до скорости 100км/ч (28 м/с)

Примечание: Рядом с типом автомобиля указан рабочий объем (л ) и мощность (в скобках) двигателя (л.с. ).

Построение графика пути разгона автомобиля S = f(v)

Аналогичным образом проводится графическое интегрирование раннее построенной зави­симости t = f (V ) для получения зависимости пути разгона S от скорости автомобиля. В данном случае кривая графика времени разгона автомобиля (рис. 5) разбивается на интервалы по вре­мени, для каждого из которых находятся соответствующие значения V c р k .

Рис.5. Схема, поясняющая использование графика времени разгона автомобиля t = f ( V ) для построения графика пути разгона S = f( V ) .

Площадь элементарного прямоугольника, например, в интервале Δ t 5 есть путь, который проходит автомобиль от отметки t 4 до отметки t 5 , двигаясь с постоянной скоростью V c р 5 .

Величина площади элементарного прямоугольника определяется сле­дующим образом:

Δ S k = V c р k (t k - t k -1 ) = V c р k · Δ t k .

где k = l…m - порядковый номер интервала, m выбирается произвольно, но считается удобным для расчета, когда m = n .

Например (рис. 5), если V ср5 =12,5 м/с ; t 4 =10 с ; t 5 =14 с , то Δ S 5 = 12,5(14 - 10) = 5 м .

Путь разгона от скорости V 0 до скорости V 1 : S 1 = Δ S 1 ;

до скорости V 2 : S 2 = Δ S 1 + Δ S 2 ;

до скорости V n : S n = Δ S 1 + Δ S 2 + ... + Δ S n =
.

Результаты расчета заносятся в таблицу и представляются в виде гра­фика (рис. 6).

Путь разгона для легковых автомобилей до скорости 100 км/ч составляет 300…600м . Для грузовых автомобилей путь разгона до скорости 50км/ч равен 150…300м .

Рис.6. Графика пути разгона автомобиля.

• Изучая различные движения, можно выделить один сравнительно простой и распространенный вид движения - движение с постоянным ускорением. Дадим определение и точное описание этого движения. Впервые движение с постоянным ускорением открыл Галилей.

Простой случай неравномерного движения - это движение с постоянным ускорением, при котором модуль и направление ускорения не меняются со временем. Оно может быть прямолинейным и криволинейным. Приблизительно с постоянным ускорением движется автобус или поезд при отправлении в путь или при торможении, скользящая по льду шайба и т. д. Все тела под влиянием притяжения к Земле падают вблизи ее поверхности с постоянным ускорением, если сопротивлением воздуха можно пренебречь. Об этом пойдет речь в дальнейшем. Мы будем изучать в основном именно движение с постоянным ускорением.

При движении с постоянным ускорением вектор скорости за любые равные интервалы времени изменяется одинаково. Если уменьшить интервал времени в два раза, то и модуль вектора изменения скорости также уменьшится в два раза. Ведь за первую половину интервала скорость изменяется точно так же, как и за вторую. При этом направление вектора изменения скорости остается неизменным. Отношение изменения скорости к интервалу времени будет одним и тем же для любого промежутка времени. Поэтому выражение для ускорения можно записать так:

Поясним сказанное рисунком. Пусть траектория криволинейна, ускорение постоянно и направлено вниз. Тогда и векторы изменения скорости за равные интервалы времени, например за каждую секунду, будут направлены вниз. Найдем изменения скорости за последовательные интервалы времени, равные 1 с. Для этого отложим из одной точки А скорости 0 , 1 , 2 , 3 и т. д., которые приобретает тело через 1 с, и произведем вычитания начальной скорости из конечной. Так как = const, то все векторы приращения скорости за каждую секунду лежат на одной вертикали и имеют одинаковые модули (рис 1.48), т. е. модуль вектора изменения скорости A возрастает равномерно.

Рис. 1.48

Если ускорение постоянно, то его можно понимать как изменение скорости в единицу времени. Это позволяет установить единицы для модуля ускорения и его проекций. Запишем выражение для модуля ускорения:

Отсюда следует, что

Следовательно, за единицу ускорения принимается постоянное ускорение движения тела (точки), при котором за единицу времени модуль скорости изменяется на единицу скорости:

Эти единицы ускорения читаются так: один метр на секунду в квадрате и один сантиметр на секунду в квадрате.

Единица ускорения 1 м/с 2 - это такое постоянное ускорение, при котором модуль изменения скорости за каждую секунду равен 1 м/с.

Если ускорение точки непостоянно и в какое-либо мгновение становится равным 1 м/с 2 , то это не означает, что за секунду модуль приращения скорости равен 1 м/с. В данном случае значение 1 м/с 2 надо понимать так: если бы начиная с данного мгновения ускорение стало постоянным, то за каждую секунду модуль изменения скорости был бы равен 1 м/с.

Автомобиль «Жигули» при разгоне с места приобретает ускорение 1,5 м/с 2 , а поезд - около 0,7 м/с 2 . Падающий на землю камень движется с ускорением 9,8 м/с 2 .

Из всевозможных видов неравномерного движения мы выделили наиболее простое - движение с постоянным ускорением. Однако не существует движения со строго постоянным ускорением, как и не существует движения со строго постоянной скоростью. Все это простейшие модели реальных движений.

Выполните упражнения

1. Точка движется по криволинейной траектории с ускорением, модуль которого постоянен и равен 2 м/с 2 . Означает ли это, что за 1 с модуль скорости точки изменяется на 2 м/с?
2. Точка движется с переменным ускорением, модуль которого в некоторый момент времени равен 3 м/с 2 . Как истолковать это значение ускорения движущейся точки?

Ускорение - величина изменения скорости тела в единицу времени. Другими словами, ускорение - это скорость изменения скорости.

A - ускорение, м/c 2
t - интервал изменения скорости, c
V 0 - начальная скорость тела, м/c
V - конечная скорость тела, м/c

Пример использования формулы.
Автомобиль разгоняется от 0 до 108км/ч (30м/с) за 3 секунды.
Ускорение, с которым разгоняется автомобиль, равно:
a = (V-V o)/t = (30м/с – 0) / 3c = 10м/с 2

Другая, более точная, формулировка гласит: ускорение равно производной от скорости тела: a=dV/dt

Термин ускорение — один из самых важных в физике. Ускорение используется в задачах на разгон, торможение, броски, выстрелы, падения. Но, в то же время, этот термин один из самых трудных для понимания, в первую очередь, потому что единица измерения м/c 2 (метр в секунду за секунду) не используется в повседневной жизни.

Прибор для измерения ускорения называется акселерометром. Акселерометры, в виде миниатюрных микрочипов, используются во многих смартфонах и позволяют определить силу, с которой пользователь воздействует на телефон. Данные о силе воздействия на устройство, позволяют создавать мобильные приложения, которые реагируют на поворот экрана и на встряску.

Реакция мобильных устройств на поворот экрана, обеспечивается именно акселерометром — микрочипом, измеряющим ускорение движения устройства.

Примерная схема акселерометра показана на рисунке. Массивный грузик, при резких движениях, деформирует пружины. Измерение деформации при помощи конденсаторов (либо пъезоэлементов) позволяет вычислить силу воздействия на грузик и ускорение.

Зная деформацию пружины, при помощи закона Гука (F=k∙Δx) можно найти силу, действующую на грузик, а зная массу грузика, используя второй закон Ньютона (F=m∙a), можно найти ускорение грузика.

На плате телефона IPhone 6, акселерометр помещается в микрочипе размером всего 3 мм на 3 мм.

Скорость автомобиля, разгоняющегося с места старта по прямолинейному отрезку пути длиной км с постоянным ускорением км/ч 2 , вычисляется по формуле . Определите наименьшее ускорение, с которым должен двигаться автомобиль, чтобы, проехав километра, приобрести скорость не менее км/ч. Ответ выразите в км/ч 2 .

Решение задачи

В данном уроке демонстрируется пример вычисления наименьшего ускорения автомобиля при заданных условиях. Данное решение можно использовать с целью успешной подготовки к ЕГЭ по математике, в частности, при решении задач типа В12.

Условием задана формула определения скорости автомобиля: при известной длине пути и постоянном ускорении . Для решения задачи все известные величины подставляются в приведенную формулу определения скорости. В результате, получается иррациональное неравенство с одним неизвестным . Так как обе части данного неравенства больше нуля, они возводятся в квадрат согласно основному свойству неравенства. Выразив из полученного линейного неравенства величину , определяется диапазон ускорения. Согласно условию задачи, нижняя граница данного диапазона и является искомым наименьшим ускорением автомобиля при заданных условиях.