Если автомобиль на повороте движется по дуге окружности, значит, ускорение автомобиля направлено по горизонтали к центру окружности (рис. 15.2). Это ускорение обусловлено равнодействующей всех приложенных к автомобилю сил. Сила тяжести и сила нормальной реакции направлены вертикально и компенсируют друг друга. Откуда же берется горизонтальная сила, вызывающая горизонтально направленное ускорение
Рис. 15.2. Ускорение автомобиля при повороте. |
Этой силой является сила трения, действующая на колеса со стороны дороги, и направленная по горизонтали перпендикулярно скорости.
Какая это сила трения — покоя или скольжения? Мы уже знаем, что при качении без проскальзывания нижняя точка колеса покоится относительно дороги (см. § 5. Примеры решения задач). Значит, возникающая на повороте сила трения — это сила трения покоя — именно она вызывает центростремительное ускорение автомобиля при повороте. А для силы трения покоя, как мы уже знаем, должно выполняться неравенство Именно это неравенство и объясняет, как мы сейчас увидим, почему существует ограничение на величину скорости при повороте.
Изобразим все силы, действующие на автомобиль при повороте (рис. 15.3).
Рис. 15.3. Силы, действующие на автомобиль при повороте. |
Согласно второму закону Ньютона,
Центростремительное ускорение связано со скоростью соотношением (см. § 4. Криволинейное движение).
Запишем уравнение второго закона Ньютона в проекциях на оси координат. Совместим начало координат с положением автомобиля в данный момент, ось направим вертикально вверх, а ось — горизонтально вдоль радиуса к центру окружности. Мы получим систему из двух уравнений и одного неравенства:
Из второго уравнения следует, что Подставим это выражение для и выражение для из первого уравнения в неравенство. Мы получим: Отсюда и следует искомое неравенство для допустимой скорости на повороте:
В нашем случае, подставляя численные данные из условия, получаем, что скорость автомобиля на повороте не может превышать
Как мы видим, скорость на повороте должна быть значительно меньше обычной скорости при движении по городу (около ), поэтому перед поворотом водитель всегда притормаживает.
При гололеде коэффициент трения между шинами и дорогой значительно уменьшается: он становится равным 0,2 вместо 0,5 на сухой дороге. Поэтому ограничение на скорость становится более строгим: подставляя в формулу получаем, что при гололеде скорость автомобиля на повороте не может превышать (скорость легкой пробежки).