La primera ecuación enseñada en dinámica es F = ma que es "fuerza igual a masa por aceleración". Esta ecuación describe la fuerza que se debe ejercer sobre un objeto de peso o masa conocida a medida que se acelera o desacelera. Si una bicicleta de carreras con un ciclista que viaja a 20 millas por hora debe detenerse dentro de una cierta distancia, puede calcular cuánta fuerza se aplicará al freno de la pinza en el borde de la rueda trasera. También puede probar que la velocidad de duplicación cuadruplica (cuadrados) la fuerza requerida para detenerse.
Defina la velocidad para forzar la aplicación. En este ejemplo, la bicicleta con su jinete pesa 210 libras. El conductor observa una línea de parada blanca que está a 30 pies delante de él cuando aplica el freno. Como ya conoce la velocidad, ahora tiene suficiente información para calcular la fuerza de frenado requerida.
Resuelva para el tiempo T, que le permitirá calcular la aceleración, o en este caso, la desaceleración. La velocidad promedio sobre los 30 pies es de 20 mph dividida por dos, o 10 mph, que es de 14.66 pies por segundo. Si los 30 pies están cubiertos a una velocidad promedio de 14.66 pies por segundo, demorarán 2.045 segundos en detenerse.
Resuelva para aceleración utilizando los 2.045 segundos para cubrir 30 pies. Como el cálculo de distancia es D = v (0) x T +1/2 (a) T ^ 2, el primer término puede ignorarse ya que toda la distancia cubierta se considera por la deceleración hasta cero. Por lo tanto, 30 pies es igual a ½ a xT ^ 2, que es 30 = ½ a x 2.045 ^ 2 o 30 = 1/2 a x 4.18. Reordenamiento, a = 30 x 2 /4.18 = 14.35 pies por segundo /seg.
Resuelva para la fuerza usando la ecuación básica F = ma. Fuerza F = 210 x 14.35 pies por segundo /seg /32.2 pies por segundo /seg (aceleración de la gravedad) o 93.58 libras de fuerza aplicada constantemente por el freno a la llanta por 2.045 segundos para detener la bicicleta. Probablemente esto se encuentre en el límite práctico de la capacidad de detención de esta bicicleta.
Demuestre que doblar la velocidad cuadruplica la fuerza requerida. Una velocidad de 40 millas por hora daría como resultado un tiempo de parada de 1.023 segundos, la mitad de 2.045 segundos en la primera instancia. El término D = ½ x a x T ^ 2 funcionaría con una aceleración de a = 30 x 2 /1.046, o 57.36 pies por segundo /seg. F = ma por lo tanto funcionaría en F = 374.08 libras, muy poco razonable para un freno de pinza en un neumático de carreras delgado. Este tonto jinete nunca se detendría a 40 millas por hora en la distancia de 30 pies, y pasarían directamente por el semáforo.
Consejo
Recuerde siempre que la fuerza de frenado se cuadruplica cuando la velocidad se duplica.
Advertencia
Acelerar rápidamente a una velocidad dada utiliza más fuerza y mucho más combustible que una aceleración suave.
