Физика в нашей жизни, страница 182 - гдз по физике 7 класс учебник Закирова, Аширов

Физика в нашей жизни

Мощность двигателей легковых автомобилей.

Автомобильная промышленность Казахстана развивается быстрыми темпами. В марте 2020 года на Костанайском заводе было запущено производство автомобилей Chevrolet, а в октябре в Алматы открылся завод по производству легковых автомобилей Hyundai. В 2025 году в Алматы запустят мультибрендовый завод «Astana Motors Manufacturing» по производству легковых автомобилей. В Казахстане производится сборка 39 моделей легковых автомобилей 8 мировых брендов: Hyundai, Chevrolet, Kia, Chery, Jac, Ravon, Lada, Skoda, UAZ (рис. 168-170). По данным Ассоциации казахстанского автобизнеса наиболее востребованными брендами по итогам 2024 г. стали: Hyundai, Chevrolet, Kia. Спрос на автомобили отечественного производства растет: 70% реализуемых в последние годы автомобилей произведены в Казахстане. Легковые автомобили производства костанайского завода «Сарыарка Авто Пром» экспортируются в Узбекистан, Россию, Белоруссию и Киргизию.

Технические характеристики двигателей автомобилей

Торговая марка: Lada, Hyundai, Koenigsegg Regera

Обозначение двигателя: Lada ВАЗ-11183, Lada ВАЗ-21116, Hyundai G6DU

Вид двигателя, число и расположение цилиндров: Lada (Бензиновый, 4 цилиндровый, в ряд), Hyundai (Бензиновый, 6-цилиндровый, V-образный), Koenigsegg Regera (Бензиновый твин-турбо V8 и 3 электромотора)

Максимальная мощность, л.с.: Lada ВАЗ-11183 (80), Lada ВАЗ-21116 (90), Hyundai G6DU (249), Koenigsegg Regera (1800)

Максимальная скорость, км/ч: Lada ВАЗ-11183 (164.5), Lada ВАЗ-21116 (167.0), Hyundai G6DU (200.0), Koenigsegg Regera (410)

Время разгона от 0 до 100 км/ч, с: Lada ВАЗ-11183 (12.5), Lada ВАЗ-21116 (11.8), Hyundai G6DU (10.7), Koenigsegg Regera (2.8)

Рис. 168 LADA - марка автомобилей АО «АВТОВАЗ», Россия

Рис. 169. Hyundai - южнокорейский бренд

Рис. 170. Koenigsegg Regera - автомобиль шведской компании Koenigsegg, выпущен в 2017 г

Для создания комфортного, привлекательного и быстрого автомобиля производители создают более мощные двигатели. На современном этапе наиболее мощным двигателем признан двигатель, установленный на шведском автомобиле Koenigsegg Regera.

Ответьте на вопросы

1. Почему в правилах дорожного движения установлены ограничения скорости движения автомобилей? Почему они отличаются в пределах населенного пункта и на трассе?

2. Почему время разгона автомобиля Koenigsegg Regera меньше, чем время разгона автомобилей Lada и Hyundai?

Задание

1. Используя данные таблицы, определите мощность двигателей автомобилей в кВт. Одна лошадиная сила (л.с.) $1 \text{ л.с.} = 735.5 \text{ Вт}$.

2. Определите силу тяги двигателей в момент разгона до скорости 100 км/ч.

3. Определите, за какое время можно добраться от Астаны до Караганды, двигаясь с максимальной скоростью автомобилей без остановки? Длина автомобильной трассы равна 216 км.

4. Используя сеть интернет, определите основные характеристики двигателя легкового автомобиля Chevrolet (рис. 171). Сравните, их с характеристиками двигателей автомобилей торговых марок Lada, Hyundai, Koenigsegg Regera.

Рис. 171. Автомобиль марка Chevrolet, США

1. Почему в правилах дорожного движения установлены ограничения скорости движения автомобилей? Почему они отличаются в пределах населенного пункта и на трассе?

Ограничения скорости в правилах дорожного движения установлены в первую очередь для обеспечения безопасности всех участников движения. Физической основой этих ограничений являются следующие факторы:

1. Зависимость тормозного пути от скорости. Тормозной путь автомобиля пропорционален квадрату скорости ($S_{торм} \sim v^2$). Это означает, что при увеличении скорости в 2 раза тормозной путь увеличивается примерно в 4 раза. Ограничение скорости позволяет водителю успеть остановиться перед внезапно возникшим препятствием.

2. Кинетическая энергия. Энергия движущегося автомобиля также пропорциональна квадрату скорости ($E_k = \frac{mv^2}{2}$). Чем выше скорость, тем больше энергия, и тем более разрушительными будут последствия при столкновении.

3. Время реакции водителя. На высокой скорости у водителя остается меньше времени для оценки дорожной ситуации и принятия правильного решения.

Ограничения скорости различаются в населенных пунктах и на трассах по следующим причинам:

• В населенном пункте (городе, поселке) очень высокая концентрация потенциальных опасностей: большое количество пешеходов (включая детей и пожилых людей), перекрестков, светофоров, припаркованных автомобилей, общественного транспорта. Вероятность неожиданного появления человека или другого транспортного средства на дороге значительно выше. Поэтому здесь устанавливаются низкие скоростные лимиты (например, 60 км/ч или 40 км/ч) для минимизации риска ДТП и тяжести их последствий.

• На трассе (загородном шоссе) условия для движения иные: как правило, отсутствуют пешеходные переходы и перекрестки на одном уровне, встречные потоки разделены, полосы движения шире, а видимость лучше. Дорожная инфраструктура спроектирована для движения с более высокими скоростями. Это позволяет устанавливать более высокие скоростные лимиты (например, 90-110 км/ч), сохраняя при этом приемлемый уровень безопасности.

Ответ: Ограничения скорости установлены для обеспечения безопасности, так как с ростом скорости квадратично увеличиваются тормозной путь и разрушительная сила при столкновении, а время на реакцию водителя уменьшается. В населенных пунктах скорость ниже из-за высокой плотности движения, пешеходов и перекрестков, что создает больше потенциальных опасностей. На трассах, спроектированных для скоростного движения с меньшим количеством опасностей, разрешена более высокая скорость.

2. Почему время разгона автомобиля Koenigsegg Regera меньше, чем время разгона автомобилей Lada и Hyundai?

Время разгона автомобиля напрямую зависит от его ускорения, которое, в свою очередь, определяется силой тяги двигателя и массой автомобиля ($a = F/m$). Сила тяги тесно связана с мощностью двигателя ($N = F \cdot v$).

Сравнивая характеристики из таблицы, мы видим ключевое различие:

• Максимальная мощность Koenigsegg Regera: 1800 л.с.

• Максимальная мощность Hyundai: 249 л.с.

• Максимальная мощность Lada: 80-90 л.с.

Двигатель Koenigsegg Regera (гибридная установка из бензинового V8 и трех электромоторов) развивает на порядок большую мощность, чем двигатели Lada и Hyundai. Огромная мощность позволяет создавать значительно большую силу тяги. Согласно второму закону Ньютона, большая сила при сопоставимой массе автомобиля приводит к гораздо большему ускорению. Чем больше ускорение, тем меньше времени требуется для набора определенной скорости (в данном случае, 100 км/ч).

Кроме того, наличие электромоторов в Koenigsegg Regera обеспечивает максимальный крутящий момент практически с нулевых оборотов, что дает огромное преимущество на старте и делает разгон еще более интенсивным.

Ответ: Время разгона Koenigsegg Regera значительно меньше, потому что его двигатель обладает колоссальной мощностью (1800 л.с.) по сравнению с двигателями Lada (до 90 л.с.) и Hyundai (249 л.с.). Большая мощность позволяет развить большую силу тяги, что обеспечивает автомобилю гораздо большее ускорение.

1. Используя данные таблицы, определите мощность двигателей автомобилей в кВт. Одна лошадиная сила (л.с.) = 735,5 Вт.

Дано:

$N_{Lada1} = 80$ л.с.

$N_{Lada2} = 90$ л.с.

$N_{Hyundai} = 249$ л.с.

$N_{Koenigsegg} = 1800$ л.с.

1 л.с. = 735,5 Вт

Найти:

$N_{Lada1}, N_{Lada2}, N_{Hyundai}, N_{Koenigsegg}$ в кВт.

Решение:

Для перевода мощности из лошадиных сил в ватты используем соотношение: $N(\text{Вт}) = N(\text{л.с.}) \times 735,5$.

Для перевода из ватт в киловатты разделим результат на 1000: $N(\text{кВт}) = \frac{N(\text{Вт})}{1000}$.

1. Lada (ВАЗ-11183):
$N_{Lada1} = 80 \times 735,5 = 58840$ Вт $= 58,84$ кВт.

2. Lada (ВАЗ-21116):
$N_{Lada2} = 90 \times 735,5 = 66195$ Вт $= 66,195$ кВт.

3. Hyundai (G6DU):
$N_{Hyundai} = 249 \times 735,5 = 183139,5$ Вт $\approx 183,14$ кВт.

4. Koenigsegg Regera:
$N_{Koenigsegg} = 1800 \times 735,5 = 1323900$ Вт $= 1323,9$ кВт.

Ответ: Мощность двигателей в кВт составляет:
Lada (ВАЗ-11183): 58,84 кВт.
Lada (ВАЗ-21116): 66,195 кВт.
Hyundai (G6DU): 183,14 кВт.
Koenigsegg Regera: 1323,9 кВт.

2. Определите силу тяги двигателей в момент разгона до скорости 100 км/ч.

Примечание: для решения этой задачи необходимо знать массу автомобилей, которая не предоставлена в условии. Будем использовать оценочные значения масс для автомобилей соответствующего класса и пренебрежем силами сопротивления воздуха и трения, рассчитав среднюю силу тяги, которая обеспечивает ускорение.

Дано:

Конечная скорость $v = 100$ км/ч.

Lada (ВАЗ-11183): $t_1 = 12,5$ с, примем массу $m_1 \approx 1100$ кг.

Lada (ВАЗ-21116): $t_2 = 11,8$ с, примем массу $m_2 \approx 1100$ кг.

Hyundai (G6DU): $t_3 = 10,7$ с, примем массу $m_3 \approx 1500$ кг.

Koenigsegg Regera: $t_4 = 2,8$ с, примем массу $m_4 \approx 1600$ кг.

Перевод в СИ:

$v = 100 \text{ км/ч} = 100 \times \frac{1000 \text{ м}}{3600 \text{ с}} = \frac{100}{3,6} \text{ м/с} \approx 27,78 \text{ м/с}$.

Найти:

Среднюю силу тяги $F_{т1}, F_{т2}, F_{т3}, F_{т4}$.

Решение:

Предполагая, что разгон происходит с постоянным ускорением, найдем среднее ускорение по формуле $a_{ср} = \frac{\Delta v}{t} = \frac{v - 0}{t}$.

Согласно второму закону Ньютона, средняя сила тяги (пренебрегая силами сопротивления) равна $F_т \approx m \cdot a_{ср} = m \cdot \frac{v}{t}$.

1. Lada (ВАЗ-11183):
$a_1 = \frac{27,78 \text{ м/с}}{12,5 \text{ с}} \approx 2,22 \text{ м/с}^2$
$F_{т1} = 1100 \text{ кг} \times 2,22 \text{ м/с}^2 \approx 2442$ Н.

2. Lada (ВАЗ-21116):
$a_2 = \frac{27,78 \text{ м/с}}{11,8 \text{ с}} \approx 2,35 \text{ м/с}^2$
$F_{т2} = 1100 \text{ кг} \times 2,35 \text{ м/с}^2 \approx 2585$ Н.

3. Hyundai (G6DU):
$a_3 = \frac{27,78 \text{ м/с}}{10,7 \text{ с}} \approx 2,60 \text{ м/с}^2$
$F_{т3} = 1500 \text{ кг} \times 2,60 \text{ м/с}^2 = 3900$ Н.

4. Koenigsegg Regera:
$a_4 = \frac{27,78 \text{ м/с}}{2,8 \text{ с}} \approx 9,92 \text{ м/с}^2$
$F_{т4} = 1600 \text{ кг} \times 9,92 \text{ м/с}^2 \approx 15872$ Н.

Ответ: Приблизительная средняя сила тяги двигателей при разгоне до 100 км/ч составляет:
Lada (ВАЗ-11183): $\approx 2442$ Н.
Lada (ВАЗ-21116): $\approx 2585$ Н.
Hyundai (G6DU): $\approx 3900$ Н.
Koenigsegg Regera: $\approx 15872$ Н.

3. Определите, за какое время можно добраться от Астаны до Караганды, двигаясь с максимальной скоростью автомобилей без остановки? Длина автомобильной трассы равна 216 км.

Примечание: данный расчет является теоретическим, так как движение с постоянной максимальной скоростью на реальной дороге невозможно и нарушает ПДД.

Дано:

Расстояние $S = 216$ км.

$v_{Lada1} = 164,5$ км/ч.

$v_{Lada2} = 167,0$ км/ч.

$v_{Hyundai} = 200,0$ км/ч.

$v_{Koenigsegg} = 410$ км/ч.

Найти:

Время в пути $t_1, t_2, t_3, t_4$.

Решение:

Время движения находится по формуле $t = \frac{S}{v}$.

1. Lada (ВАЗ-11183):
$t_1 = \frac{216 \text{ км}}{164,5 \text{ км/ч}} \approx 1,313$ ч. $1,313 \text{ ч} = 1$ час и $0,313 \times 60 \approx 19$ минут.

2. Lada (ВАЗ-21116):
$t_2 = \frac{216 \text{ км}}{167,0 \text{ км/ч}} \approx 1,293$ ч. $1,293 \text{ ч} = 1$ час и $0,293 \times 60 \approx 18$ минут.

3. Hyundai (G6DU):
$t_3 = \frac{216 \text{ км}}{200,0 \text{ км/ч}} = 1,08$ ч. $1,08 \text{ ч} = 1$ час и $0,08 \times 60 \approx 5$ минут.

4. Koenigsegg Regera:
$t_4 = \frac{216 \text{ км}}{410 \text{ км/ч}} \approx 0,527$ ч. $0,527 \text{ ч} = 0$ часов и $0,527 \times 60 \approx 32$ минуты.

Ответ: Время в пути от Астаны до Караганды составит:
На автомобиле Lada (ВАЗ-11183): примерно 1 час 19 минут.
На автомобиле Lada (ВАЗ-21116): примерно 1 час 18 минут.
На автомобиле Hyundai: примерно 1 час 5 минут.
На автомобиле Koenigsegg Regera: примерно 32 минуты.

4. Используя сеть интернет, определите основные характеристики двигателя легкового автомобиля Chevrolet (рис. 171). Сравните, их с характеристиками двигателей автомобилей торговых марок Lada, Hyundai, Koenigsegg Regera.

На рисунке 171 изображен автомобиль Chevrolet Camaro. Это американский спорткар, который имеет несколько вариантов двигателей. Возьмем для сравнения две популярные модификации: с двигателем V6 и с двигателем V8 (версия SS).

Характеристики Chevrolet Camaro (6-е поколение):

1. Модификация с двигателем 3.6L V6:

• Вид двигателя: Бензиновый, 6-цилиндровый, V-образный, атмосферный.

• Максимальная мощность: $\approx 335$ л.с.

• Максимальная скорость: $\approx 250$ км/ч (ограничена электроникой).

• Время разгона 0-100 км/ч: $\approx 5,1$ с.

2. Модификация SS с двигателем 6.2L V8:

• Вид двигателя: Бензиновый, 8-цилиндровый, V-образный, атмосферный.

• Максимальная мощность: $\approx 455$ л.с.

• Максимальная скорость: $\approx 290$ км/ч.

• Время разгона 0-100 км/ч: $\approx 4,0$ с.

Сравнение с другими автомобилями:

• По мощности: Chevrolet Camaro (335-455 л.с.) значительно превосходит Lada (90 л.с.) и Hyundai (249 л.с.). Однако он существенно уступает гиперкару Koenigsegg Regera (1800 л.с.).

• По максимальной скорости: Camaro (250-290 км/ч) также быстрее Lada (167 км/ч) и Hyundai (200 км/ч), но медленнее Koenigsegg (410 км/ч).

• По времени разгона: Динамика Camaro (4,0-5,1 с) намного лучше, чем у Lada ($\approx 12$ с) и Hyundai (10,7 с). Он приближается к показателям суперкаров, но все же уступает в разгоне Koenigsegg Regera (2,8 с).

Ответ: Автомобиль Chevrolet Camaro, в зависимости от модификации, оснащается двигателями мощностью от $\approx$335 л.с. (V6) до $\approx$455 л.с. (V8). По всем ключевым показателям (мощность, максимальная скорость, время разгона) он занимает промежуточное положение между массовыми автомобилями Lada и Hyundai и эксклюзивным гиперкаром Koenigsegg Regera, значительно превосходя первых и уступая последнему.