برتری در مسابقه طناب کشی خودروها چه دلیلی دارد؟

به دلیل اینکه خودروها به سمت بالا یا پایین حرکت نمی کنند، مجموع نیروهای عمودی برابر با صفر نیوتن است، به این معنی که نیروی نرمال مقداری برابر با نیروی گرانشی دارد. موضوع از اینجا به بعد جالب تر می شود، چرا که نیروی گرانشی به جرم خودروها بستگی دارد و هر چه خودرویی سنگین تر باشد، نیروی نرمال آن نیز بیشتر است.

به گزارش خودروتک به نقل از دیجیاتو ، تسلا سایبرتراک بی شک یکی از مهم ترین خودروهای رونمایی شده در سال 2019 بود.

حتما می دانید که مراسم معرفی این پیکاپ الکتریکی حاشیه هایی به همراه داشت و همه چیز آنطور که ایلان ماسک می خواست، پیش نرفت. شکستن شیشه جانبی سایبرتراک در برابر پرتاب گوی فلزی یکی از این حواشی بود.

در این بخش از مراسم، آقای ماسک و مدیر دپارتمان طراحی تسلا قصد داشتند با ضربات پتک به بدنه و پرتاب گوی به سمت شیشه ها، مقاومت بالای پیکاپ خود را به رخ بکشند که البته با فرو رفتن گوی در شیشه جانبی و ایجاد حفره ای بزرگ، کاملا ناکام مانده و باعث بهت خود و دیگر حضار شدند!

اما پخش کلیپی از مسابقه طناب کشی تسلا سایبرتراک و فورد F-150 دیگر حاشیه مربوط به مراسم رونمایی بود. در این کلیپ طبق انتظار سایبرتراک توانست به راحتی آب خوردن و به شکلی تحقیرآمیز پیکاپ فوق العاده پرطرفدار F-150 را به دنبال خود بکشد.

اگر چه در ابتدا این موضوع برای افراد بسیاری غیرمنتظره و جذاب بود، ولی با اظهارنظرهای تخصصی برخی کارشناسان مشخص شد تسلا و ایلان ماسک با متوسل شدن به قوانین فیزیک و شیطنت در انتخاب رقیب شرایط را به نفع پیکاپ خود تغییر داده اند.

این دسته از کارشناسان حتی پا را فراتر نهاده و معتقدند پیروزی یک خودرو در مسابقه طناب کشی، از جمله غلبه تسلا سایبرتراک بر فورد F-150، هیچ اهمیتی نداشته و نشان از برتری یا بهتر بودن نیست. حال سوالی که به ذهن خطور می کند اینست که چرا طناب کشی معیار خوبی برای ارزیابی توانمندی یا برتری خودروها نبوده و از دید کارشناسان اهمیتی ندارد؟ در نوشتار حاضر قصد داریم به طور مفصل به این موضوع پرداخته و یک بار برای همیشه پرونده مسابقات طناب کشی را ببندیم.

عامل مهمی به نام اصطکاک

همین ابتدا باید گفت مهم ترین فاکتور در یک مسابقه طناب کشی اصطکاک و چسبندگی است و فاکتورهای دیگری چون قدرت و گشتاور در اولویت های بعدی قرار دارند. تصور کنید موتور خودرویی قدرت و گشتاور بسیار بالایی تولید کند، اما بنا به دلایلی تایرهای آن اصطکاک کافی با سطح زمین را نداشته باشند. واضح است که این خودرو در برابر مدلی با موتور ضعیف تر ولی چسبندگی بهتر به اصطلاح کم خواهد آورد.

یکی از معروف ترین و پر سر و صداترین مسابقات طناب کشی برگزار شده در سال های اخیر؛ در این مسابقه پیکاپ دو دیفرانسیل شورولت سیلورادو موفق به کشیدن کشنده سنگین می شود. وجود وزنه در قسمت بار سیلورادو و چسبندگی ضعیف تایر چرخ های محرک کشنده به دلیل نبود وزن کافی روی آنها از دلایل اصلی رقم خوردن این نتیجه هستند

به طور کلی اصطکاک مبحث پیچیده ای بوده و به دو نوع جنبشی و ایستایی تقسیم می شود. برای اندازه گیری اصطکاک ایستایی بین دو سطح غیر لغزنده فرمول زیر کاربرد دارد. در این فرمول µs ضریب اصطکاک و N نیروی عمودی است.

پیش از پرداختن به جزئیات باز هم از یک مثال ساده استفاده می کنیم. همانند تصویر زیر یک کتاب یا هر جسم دیگر را روی میز بگذارید. حال آن را از کنار فشار دهید، اما نه به قدری که شروع به حرکت کند.

از آنجایی که جسم حرکتی ندارد، برآیند نیروهای وارد شده به آن برابر با صفر نیوتن است. به عبارت بهتر نیرویی که شما به جسم وارد می کنید تا مثلا به سمت راست حرکت کند، با مقداری نیروی اصطکاکی که آن را به سمت چپ هل می دهد برابر است.

حالا مثل تصویر زیر با یک دست جسم را به سمت پایین فشار داده و با دست دیگر سعی کنید آن را هل دهید. حتما خواهید دید که علی رغم وارد کردن نیروی جانبی بیشتر جسم هنوز تکان نمی خورد. این امر با افزایش نیروی اصطکاک در ارتباط است. برای درک بهتر باید به فاکتور دیگری به نام نیروی نرمال بپردازیم.

در مثال فوق، وقتی شما جسم را به سمت پایین فشار می دهید، میز هم آن را با نیرویی برابر و در جهت عکس به سمت بالا فشار می دهد تا از ورود آن به داخل خود جلوگیری کند. این نیرو "نیروی نرمال" نامیده می شود، چون که نسبت به سطح عمودی بوده و مثل همان نیرویی عمل می کند که شما را از فرو رفتن در داخل زمین به خاطر نیروی جاذبه باز می دارد.

نیروی نرمال نقشی بسیار مهم و کلیدی ایفا می کند، چرا که میزان نیروی اصطکاک به طور مستقیم به آن وابسته است. در مثال بالا دیدید که هر چه فشار به سمت پایین بیشتر باشد، مقاومت اصطکاکی نسبت به حرکت جانبی افزایش می یابد.

جرم بیشتر، اصطکاک بهتر

حال به فرمول اصلی باز می گردیم. طبق این فرمول نیروی اصطکاک ایستایی (Ff) – مقدار نیرویی که دو سطح را نسبت به هم ثابت و بدون حرکت نگه می دارد – کمتر یا مساوی است با مقدار نیروی نرمال (N) ضربدر ضریب اصطکاک ایستایی (μs). این نیرو در واقع بر میزان نیروی جانبی که جسم توان تحمل آن را دارد، محدودیت اعمال می کند. به عبارت دیگر، هر موقع مقدار نیروی جانبی از عدد بدست آمده در سمت راست معادله بیشتر شود، جسم شروع به حرکت خواهد کرد.

ضریب اصطکاک شاخص واحدی نداشته و بسته به جنس سطوحی که با هم در تماس هستند، معمولا بین 0 الی 1 متغیر است. به عنوان نمونه فولاد روی یخ ضریب اصطکاک پایینی دارد، به همین جهت کشیدن یا هل دادن سورتمه روی یک سطح یخ بسته بسیار آسان است. در مقابل ضریب اصطکاک تایر خودرو و آسفالت بسیار بیشتر بوده و چیزی در حدود 0.7 محاسبه می شود. از آنجایی که میزان چسبندگی تایرهای مختلف با هم متفاوت است، می توان نوع تایر را نیز در نتیجه مسابقه طناب کشی دخیل دانست.

اکنون که با برخی از مباحث پایه فیزیک آشنا شدید، به سراغ مسابقه طناب کشی بین دو خودرو می رویم. در چنین مسابقه ای نیروهای وارده مطابق شکل زیر خواهد بود.

به دلیل اینکه خودروها به سمت بالا یا پایین حرکت نمی کنند، مجموع نیروهای عمودی برابر با صفر نیوتن است، به این معنی که نیروی نرمال مقداری برابر با نیروی گرانشی دارد. موضوع از اینجا به بعد جالب تر می شود، چرا که نیروی گرانشی به جرم خودروها بستگی دارد و هر چه خودرویی سنگین تر باشد، نیروی نرمال آن نیز بیشتر است.

بسیار خب، جهت های افقی چطور؟ در طناب کشی سایبرتراک و F-150، نیروی اصطکاک هر مدلی که بیشتر از نیروی کششی به سمت عقب باشد، رو به جلو حرکت کرده و برنده خواهد شد. اما در این بین یک نکته بسیار مهم وجود دارد و همانگونه که اشاره کردیم جرم بیشتر مساوی است با نیروی نرمال بیشتر، این امر نیز به نوبه خود باعث ایجاد نیروی اصطکاک بیشتر می شود. بنابراین باید گفت جرم از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است.

شبیه سازی در دنیای اسباب بازی ها

برای نشان دادن نقش مباحث فوق در دنیای واقعی، با استفاده از دو خودروی اسباب بازی به شبیه سازی مسابقه طناب کشی می پردازیم. در آزمایش اول خودروی قرمز رنگ نیروی خود را از دو باتری دریافت می کند، حال آنکه خودروی آبی توسط یک باتری تغذیه می شود. به نظر شما در مسابقه طناب کشی این دو برنده کدام خواهد بود؟

برنده شدن خودروی قرمز که از دو باتری سود می برد، جای هیچ تعجبی ندارد. اما چنانچه به خودروی آبی که دارای یک باتری است، جرم اضافه شود چه اتفاقی رخ خواهد داد؟ همانطور که در ویدیوی زیر می توانید مشاهده فرمایید، با این کار شرایط به نفع خودروی آبی تغییر پیدا کرده و به لطف جرم بیشتر، رقیب قدرتمندتر را به دنبال خود می کشد.

جمع بندی

بررسی دقیق تر کلیپی که ایلان ماسک در جریان رونمایی سایبرتراک پخش کرد، نشان می دهد F-150 حاضر در مسابقه طناب کشی نسخه STX با موتور 2.7 لیتری اکوبوست است. این موتور 325 اسب بخار قدرت و 542 نیوتن متر گشتاور تولید کرده و در تریم STX تنها محور عقب را به حرکت در می آورد؛ هرزگردی تنها چرخ های عقب می تواند گواهی بر این ادعا باشد. F-150 حاضر در این تست وزنی کمتر از 2 تن دارد.

در مقابل به نظر می رسد سایبرتراک به کار برده شده در این مسابقه به پیشرانه دو یا سه موتوره مجهز باشد؛ این پیشرانه که به گفته برخی با نمونه حاضر در مدل X پرفورمنش مشترک است، احتمالا چیزی در حدود 780 اسب بخار قدرت و نزدیک به 1200 نیوتن متر گشتاور تولید می کند.

همچنین با توجه به درخواست تسلا مبنی بر طبقه بندی شدن سایبرتراک در کلاس پیکاپ های medium-duty، می توان حدس زد این خودرو وزنی بالای 3.8 تن دارد. پس اکنون بهتر متوجه می شوید که چرا ایرادات زیادی به کلیپ مذکور گرفته شده است.

سخن پایانی اینکه به دلیل نقش بسیار پررنگ جرم، اصطکاک و میزان چسبندگی در تعیین برنده مسابقه طناب کشی خودروها، برتری یک مدل لزوما به معنای مناسب تر بودن آن در کاربردهای روزمره یا توانایی های حرکتی بهتر نیست.