Номер 7, страница 143 - гдз по физике 7 класс учебник Исаченкова, Громыко

7. Почему не удается пахать, используя легковой автомобиль, ведь его двигатель гораздо мощнее двигателя мини-трактора, легко выполняющего эту работу?

Несмотря на то, что двигатель легкового автомобиля мощнее двигателя мини-трактора, пахать на нем не получится по нескольким ключевым причинам, связанным с физикой и конструкцией транспортных средств. Дело не столько в мощности как таковой, сколько в способности преобразовать эту мощность в полезную тяговую силу на низкой скорости.

1. Крутящий момент и мощность

Мощность ($P$) — это скорость совершения работы. Для движущегося объекта ее можно выразить через силу тяги ($F$) и скорость ($v$) как $P = F \cdot v$. Двигатель легкового автомобиля спроектирован для достижения высокой мощности на высоких оборотах, что обеспечивает автомобилю высокую скорость. Его крутящий момент (сила, с которой двигатель вращает вал) на низких оборотах относительно мал.
Двигатель трактора, наоборот, сконструирован для создания максимального крутящего момента на низких и средних оборотах. Это позволяет ему развивать огромное тяговое усилие ($F$) при очень низкой скорости ($v$), что и требуется для вспашки.

2. Трансмиссия (коробка передач)

Трансмиссия преобразует вращение двигателя во вращение колес, изменяя крутящий момент и скорость.

• У трактора коробка передач имеет очень большие передаточные числа на низших передачах. Это позволяет многократно увеличить крутящий момент двигателя на колесах, жертвуя скоростью. Трактор движется медленно, но тянет очень сильно.
• У легкового автомобиля передаточные числа рассчитаны на быстрый разгон и движение с высокой скоростью. Даже на первой передаче крутящий момент на колесах недостаточен для преодоления огромного сопротивления плуга в земле.

3. Сцепление с грунтом (тяговое усилие)

Это, возможно, самый важный фактор. Чтобы транспортное средство могло тянуть, его колеса должны иметь надежное сцепление с поверхностью. Максимальная сила тяги ограничена силой трения покоя между шинами и грунтом:
$F_{тяги} \le F_{трения} = \mu \cdot N$
где $\mu$ — коэффициент сцепления, а $N$ — сила нормальной реакции опоры (которая примерно равна весу, давящему на ведущие колеса).

• Масса: Тракторы очень тяжелые. Большая масса обеспечивает большую силу $N$, что напрямую увеличивает максимальную силу сцепления. Легковой автомобиль слишком легкий, и его колеса не могут достаточно сильно давить на землю.
• Шины: Шины автомобиля предназначены для асфальта, они имеют гладкий протектор. На мягкой почве их коэффициент сцепления $\mu$ очень низок. Колеса автомобиля мгновенно начнут проскальзывать и закапываться (буксовать). Шины трактора — широкие, с глубоким и агрессивным рисунком протектора ("ёлочка"), специально созданным для максимального сцепления с рыхлым грунтом.

При попытке пахать автомобиль не сможет реализовать даже тот небольшой крутящий момент, что у него есть, так как колеса будут просто беспомощно вращаться на месте.

4. Прочность конструкции

Кузов, рама, подвеска и трансмиссия (сцепление, коробка передач, приводные валы) легкового автомобиля не рассчитаны на колоссальные нагрузки, возникающие при вспашке. Попытка использовать его в качестве тягача для плуга очень быстро приведет к поломке жизненно важных и дорогостоящих узлов. Конструкция трактора изначально создается сверхпрочной, чтобы выдерживать экстремальные тяговые усилия в течение длительного времени.

Ответ: Легковой автомобиль не может пахать, потому что, в отличие от мини-трактора, он не способен преобразовать мощность своего двигателя в необходимое тяговое усилие на низкой скорости и передать его на землю. Основные причины: недостаточный крутящий момент на низких оборотах, отсутствие понижающих передач в трансмиссии, малый вес и неподходящие шины, что приводит к плохому сцеплению с грунтом (буксованию), а также недостаточная прочность конструкции для таких нагрузок.