Исчезает ли энергия при торможении автомобиля? Вовсе нет!

Миф об энергии в машине: правду знают физики.

Представьте, что вы едете по шоссе на своей BMW со скоростью 100 км в час и вдруг видите, что на светофоре загорается красный свет. Что вы будете делать? Ну, конечно, если вы не хотите, чтобы ГИБДД прислала вам штраф, вы резко нажимаете на педаль тормоза, останавливая автомобиль. А теперь задумайтесь: всего мгновение назад ваша машина, двигаясь с большой скоростью, имела так много энергии, но куда же она делась, когда она замерла у стоп-линии? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно рассмотреть вопрос о количестве энергии, которой обладают вещи и предметы, когда они находятся в движении, а также как происходит в физическом мире процесс остановки. 

Кинетическая энергия = энергия движения

Логично и всем нам понятно, что любой движущийся объект имеет определенное количество энергии. Представьте себе катящийся футбольный мяч, который, конечно же, имеет больше энергии, чем неподвижный. И он не остановится, пока эта энергия не будет потеряна. Энергия, которой обладает нечто, когда оно движется, называется кинетической энергией. Если игрок выставляет ногу, чтобы отобрать у другого игрока мяч, энергия мяча будет передана ноге футболиста; остальная ее часть также будет преобразована в звуковую энергию, которую мы можем услышать.

Кстати, когда футбольный мяч катится по газону на футбольном поле, он во время своего вращения постепенно теряет всю свою энергию. В этом случае она передается через трение в траву.

Фото: freepik.com

Когда мяч для гольфа или футбола движется по траве, кинетическая энергия в итоге поглощается из-за трения травой. Однако эти мячи имеют очень мало энергии, чего не скажешь о более массивном автомобиле, который во время движения имеет ее огромное количество. Поэтому при его остановке невозможно просто передать всю эту энергию в виде трения на дорогу. Тем более за короткий промежуток времени.

Фактически, если вы двигаетесь в два раза быстрее, кинетическая энергия увеличивается в четыре раза. Вся эта энергия должна быть рассеяна при торможении, чтобы автомобиль мог остановиться. Также обратите внимание, что энергия в принципе не может исчезнуть (закон сохранения энергии); единственный контроль, который мы имеем над ней, — это изменение ее вида (формы) из одной в другую.

Ссылка на статью

Как тормоза в машине преобразуют одну энергию в другую?

Например, энергия для движения автомобиля появляется от сжигания бензина или дизельного топлива (да-да, в любом топливе заключена энергия), которые приводят в работу двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Это хороший пример преобразования одной энергии в другую, когда химическое взаимодействие кислорода и бензина освобождает энергию, которая преобразуется в другую, в энергию движения автомобиля или кинетическую. При остановке машины кинетическая энергия должна быть переведена в другую форму, что достигается путем ее рассеивания в окружающее пространство в виде тепла.

В современных автомобилях для остановки используются дисковые тормоза, которые могут сильно нагреваться во время торможения.

Фото: Freepik

Большинство современных транспортных средств сегодня для остановки используют дисковые тормоза. Когда водитель нажимает на педаль тормоза, начинается процесс, который приводит к зажиму тормозных роторов (суппортов), установленных на каждом колесе. Внутри механизма установлены тормозные колодки. Их зажим или сдавливание к тормозным дискам приводит к большому трению и сопротивлению движению колес. При этом процессе суппорты и колодки выделяют значительное количество тепла. Так энергия движения преобразуется в другой вид. 

Преобразование энергии не бесплатно

Некоторые грузовики имеют пневматическую тормозную систему, современные автомобили — дисковые, а недорогие обычные велосипеды в основном ободные (клещевые, обжимные) тормоза. Несмотря на эти различия, преобразование кинетической энергии в тепло во всех трех видах тормозной системы довольно схоже. Ободные велосипедные тормоза зажимают обод колеса при торможении. Это и делает обод местом выработки тепла. Вы можете почувствовать нагрев этого места сами после длительного движения и торможения на велосипеде, например, на длинном спуске.

Вы также можете заметить, что автомобильные тормозные колодки со временем изнашиваются. Это происходит отчасти из-за тепла, а отчасти из-за того, что тормозной диск колеса отрывает части от тормозной колодки из-за интенсивной силы и трения. Поэтому часть энергии также идет на отрывание мелких кусочков покрытия колодок.

В автомобилях тепло, выделяемое при торможении, может достигать нескольких сотен градусов по Цельсию, поскольку из-за большой массы транспортных средств появляется больше кинетической энергии. Это тепло должно качественно рассеиваться, чтобы детали тормозной системы не получили необратимых повреждений из-за длительного воздействия тепла. Кстати, именно из-за этого в супербыстрых болидах Формулы-1 для тормозных колодок используются специальные дорогостоящие материалы, разработанные для пропуска большого количества воздуха и быстрого рассеивания тепла.

Кинетическая энергия также преобразуется и в звук, который можно услышать как визг, если резко затормозить.

Можно ли повторно использовать энергию?

В любом случае, кинетическая энергия автомобиля теряется в окружающей среде при торможении. Тем не менее благодаря появлению системы рекуперативного торможения эта энергетическая история приняла в автомире новый поворот.

При рекуперативном торможении кинетическая энергия автомобиля преобразуется обратно в электрическую, а затем сохраняется в аккумуляторе.

1GAI.ru / Shutterstock

В гибридных или электрических автомобилях энергия движущегося автомобиля восстанавливается аккумулятором путем переключения двигателя, который приводит в движение колеса, на генератор. Кинетическая энергия, вырабатываемая движущимися колесами, преобразуется генератором в электрическую энергию и возвращается в батарею, которая затем может хранить ее для будущего использования электромоторами. Тем не менее даже при этой системе не менее 30% энергии по-прежнему выделяется в окружающую среду, в основном в виде тепла.

В следующий раз, когда вы будете за рулем или гонять мяч по полю или в зале, помните, что энергия в нашем мире постоянно меняет свои формы. Большую часть времени она будет меняться с полезной на бесполезную, например, когда наши автомобили рассеивают кинетическую энергию в виде тепла. Однако с такими тормозными системами, как рекуперативное торможение, мы движемся к более эффективному использованию энергии в автомире. Часть восстановленной энергии может быть использована снова, а не рассеиваться в окружающей среде.

По мере появления новых технологий и инновационных решений тормоза транспортных средств, безусловно, будут меняться, как и автомобильные двигатели, которые неизбежно будут совершенствоваться. Но, несмотря на новые решения и прорывные технологии, законы физики всегда и во все времена будут незыблемы, так что утверждения, что энергия «создается» в двигателе и «теряется» в тормозах, это миф и заблуждение. 

Обложка: 1GAI.ru / shutterstock.com

Источник статьи: When A Car Brakes, Where Does The Energy Go?