Comment un camion de 5 000 livres peut-il remorquer 10 000 livres?

Avez-vous déjà regardé avec étonnement une camionnette remorquer une énorme charge de briques? Si vous pensiez, "Wow, cela défie les lois de la physique!" vous auriez tort.

Croyez-le ou non, les lois de la physique (ou plus précisément les lois du mouvement) permettent en fait à un camion de 5 000 livres (2 268 kilogrammes) de remorquer une charge de 10 000 livres (4 536 kg). Cela fait partie de l'interaction entre l'énergie exercée par le moteur du camion et les forces de gravité. Ce n’est cependant pas une mince affaire; si vous vous souvenez de la troisième loi du mouvement de Newton, vous savez qu'à partir du moment où votre camion commence à bouger, il y a des forces qui s'y opposent à chaque étape du chemin.

Si vous comprenez la physique de la conduite, vous comprenez la physique du remorquage. Il existe en fait un moyen assez simple de regarder le processus.

Votre camion peut entrer dans trois états en matière de conduite et de remorquage: repos, accélération et vitesse constante. Lorsque la transmission de votre camion est en stationnement et que votre camion est immobile, elle est considérée comme au repos. La poussée gravitationnelle vers le bas vers le centre de la terre et la poussée vers le haut depuis la terre (appelée force normale) s'opposent pour maintenir votre camion au repos. Votre camion restera en place - après tout, un objet au repos a tendance à rester au repos.

Mais vous ne voulez pas vous reposer, vous voulez remorquer. Cela signifie que vous devez surmonter cette tendance à vous reposer force appliquée. Heureusement pour vous, votre camion est équipé d'un moteur qui peut produire de l'énergie, qui sert de force appliquée nécessaire pour vous faire bouger. Alors que les forces normales et gravitationnelles opposées subsistent, pour accélérer, vous devrez faire face aux forces de frottement. Plutôt que de haut en bas, ces forces existent parallèlement au sol et poussent dans la direction opposée à la façon dont vous souhaitez vous déplacer. Vous ne pouvez pas prendre une pause physique, pouvez-vous?

Avec nous jusqu'ici? Bien. Continuez à lire pour en savoir plus sur la physique du remorquage.

Il existe deux types de forces de frottement qui travaillent contre vous lorsque vous conduisez votre camion. Frottement statique est le frottement que vos pneus rencontreront avant d'atteindre le seuil de mouvement. Une fois que vos roues commencent à bouger, le seuil de mouvement a été franchi et vos pneus doivent maintenant faire face frottement cinétique -- ou dans le cas d'une roue, friction de roulement. Pour accélérer, le frottement statique doit être surmonté par une force appliquée, mais ce n'est pas le cas du frottement de roulement. Au lieu de cela, l'objectif est d'accélérer jusqu'à ce que la force appliquée soit égale à la quantité de friction de roulement appliquée aux pneus. Une fois que la quantité de force appliquée correspond à la quantité de friction de roulement, vous avez atteint le point de vitesse constante. Vous le connaissez peut-être comme la vitesse de croisière - ce point où vous n'accélérez pas ou ne ralentissez pas, mais voyagez joyeusement.

Tout ce discours sur la physique ne serait pas grand-chose sans la façon dont votre voiture utilise la force appliquée par le moteur pour propulser votre camion sur la route. Il le fait en produisant couple, qui est l'énergie qui fait tourner une roue sur son axe. La force appliquée créée par votre moteur est distribuée aux roues de votre camion via la transmission, qui fait tourner l'arbre de transmission et distribue le couple aux roues.

Le couple est différent de l'énergie nécessaire pour déplacer quelque chose le long d'un plan horizontal. Pensez-y comme ceci: disons que vous avez un quart debout sur le bord que vous avez l'intention de rouler dans votre couloir. Vous pouvez pousser sur le bord avec votre doigt dans un mouvement de haut en bas pour le faire avancer ou un mouvement de bas en haut pour le faire rouler vers l'arrière. Vous venez d'appliquer le couple. Maintenant, essayez d'avancer le quart sans le faire rouler. Cela ne fonctionne pas très bien, n'est-ce pas? Le quart dérape juste le long de la surface, ce qui le rend difficile à contrôler - ce n'est pas un moyen très efficace de se déplacer. C'est le défi qui se présente à votre camion à chaque fois que vous conduisez: avancer sans déraper.

Cela semble assez simple; vous appuyez sur la pédale d'accélérateur et le moteur distribue le couple à l'arbre d'entraînement qui fait tourner l'essieu et, à son tour, les roues. Mais si le moteur produit trop de couple, vos pneus surmonteront le frottement de roulement qu'ils rencontrent de la route et déraperont inutilement (et peut-être dangereusement). Ce que vous voulez, c'est que votre pneu ne quitte jamais la route.

Cela semble un peu étrange, mais lorsque votre camion roule correctement, le bas du pneu - littéralement là où le caoutchouc rencontre la route - reste au repos. Ce qui constitue le bas des pneus change puisque tous les points de la bande de roulement ont la possibilité de servir de bas du pneu car il effectue une rotation complète. Il en va de même pour l'emplacement du bas du pneu par rapport à la route. Mais, en ce qui concerne la gravité et la force normale, le bas du pneu est au repos puisqu'il ne quitte jamais la route.

Alors qu'est-ce que tout cela a à voir avec le remorquage? Beaucoup. Vous verrez ce que nous voulons dire sur la page suivante.

-Tout ce que vous venez d'apprendre sur la façon dont la physique permet à votre camion de se déplacer en douceur peut être extrapolé au remorquage.

Si vous avez une transmission intégrale, les quatre pneus sont connectés aux arbres de transmission et reçoivent ainsi un couple pour les déplacer. Si vous n'avez qu'une traction arrière ou une traction avant, ne craignez rien: le couple distribué à vos roues motrices fera également bouger les roues qui sont le long du trajet. Puisqu'elles sont connectées à votre camion, ces roues bougeront lorsque les roues motrices commenceront à bouger. Le poids doit être réparti uniformément sur le camion, ce qui signifie que chaque roue - qu'elle soit reliée à un arbre de transmission ou non - fait face à un défi égal.

Étant donné que vos pneus sont à l'endroit où le caoutchouc rencontre la route - ou, plus encore, à l'endroit où la force de gravité qui exerce une pression vers le bas sur votre camion rencontre la force normale qui pousse vers le haut contre lui - c'est là que le poids est réparti. Si le poids est réparti uniformément, la force normale qu'il rencontre est également répartie uniformément, car la force normale est proportionnelle à la masse de votre camion. Cela signifie que la force normale que rencontre chaque pneu représente environ un quart de la masse de votre camion. Cette répartition égale de la force conduit à une quantité égale de force statique puis cinétique que chaque pneu rencontre lorsqu'il se déplace de sa position de repos à l'accélération et finalement à une vitesse constante. Ainsi, le couple suffisant pour déplacer une roue les fera tous bouger. Si le poids de votre camion n'est pas également réparti, les pneus qui supportent moins de poids déraperont ou glisseront à mesure que le couple qu'ils reçoivent surmonte plutôt qu'égale le frottement de roulement qu'il rencontre de la route..

C'est aussi vrai avec les quatre pneus de votre camion qu'avec deux ou quatre pneus de plus que vous ajouterez lorsque vous remorquerez une remorque. En effet, en ce qui concerne les lois de la physique, lorsque votre remorque est connectée à votre camion, elle est considérée comme une seule unité. La masse du camion et la masse de la remorque partagent une masse combinée. Cela signifie que la répartition du poids reste importante. S'il est correctement réparti, les pneus - qu'il y en ait quatre, six, huit ou 50 - subiront tous la même quantité de friction lorsqu'ils franchissent le seuil et accélèrent..

Alors, comment un camion de 5 000 livres peut-il remorquer une charge de 10 000 livres? La réponse courte est qu'il ne peut pas, à moins d'avoir le bon type d'attelage. Si vous consultez le manuel du propriétaire de votre camion, vous verrez que votre camion a deux capacités de remorquage - une pour le poids mort et une pour le poids remorqué. Vous remarquerez également que la limite de poids mort est à peu près le même poids que votre camion, tandis que la capacité de poids remorqué est trois fois plus élevée. La raison en est que les capacités de poids remorqué nécessitent un attelage spécial qui - vous l'avez deviné - répartit le poids de la remorque entre les roues de la remorque et du camion..

-Le poids supplémentaire de la remorque oblige le moteur du véhicule-autocar à travailler plus fort pour produire plus de couple que ce qui est nécessaire lorsque l’autocar roule sans encombrement. Mais si le poids est correctement réparti à la fois dans la remorque et dans le véhicule autocar, le frottement statique de chaque pneu sera égal. Donc, qu'il s'agisse d'un camion pesant 5000 livres qui se déplace sur la route ou d'un camion qui remorque une charge de 10000 livres, tant que le moteur peut produire suffisamment de couple pour faire tourner les roues motrices sans surmonter le frottement de roulement sur la route, toutes les autres roues suivre.

Pour plus d'informations sur le remorquage et d'autres sujets connexes, visitez la page suivante.

Un merci spécial au Dr William Skocpol et Craig Freudenrich, Ph.D. pour leur aide avec cet article!

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• Conseils et terminologie relatifs au remorquage de sécurité
• Physique de l'Université de Boston
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Sources

• Skocpol, William, PhD. Professeur de physique, Université de Boston. Correspondance personnelle. 31 octobre 2008.
• Townsend, Ben. "Frottement statique et cinétique." Université de l'Alaska, Fairbanks. Automne 2002. http://ffden-2.phys.uaf.edu/211_fall2002.web.dir/Ben_Townsend/StaticandKineticFriction.htm