Forces on wheels and fuel consumption in cars

Abstract

Motivated by real classroom discussions, we analyze the forces acting on moving vehicles, specifically friction on their wheels. In typical front-wheel-drive cars when the car accelerates these forces are in the forward direction in the front wheels, but they are in the opposite direction in the rear wheels. The situation may be intriguing for students, but it may also be helpful and stimulating to clarify the role of friction forces on rolling objects. In this paper we also study the thermodynamical aspects of an accelerating car, relating the distance traveled to the amount of fuel consumed. The fuel consumption is explicitly shown to be Galilean invariant and we identify the Gibbs free energy as the relevant quantity that enters into the thermodynamical description of the accelerating car. The more realistic case of the car’s motion with the dragging forces taken into account is also discussed.

Resumen

A partir de discusiones reales en el aula, analizamos las fuerzas que actúan sobre los vehículos en movimiento, en concreto el rozamiento en sus ruedas. En los coches habituales de tracción delantera, cuando el coche acelera estas fuerzas van hacia delante en las ruedas delanteras, pero en sentido contrario en las traseras. La situación puede resultar desconcertante para los estudiantes, pero también puede ser útil y estimulante para aclarar el papel de las fuerzas de rozamiento sobre los objetos que ruedan. En este trabajo estudiamos también los aspectos termodinámicos de un coche que acelera, relacionando la distancia recorrida con la cantidad de combustible consumido. Se muestra explícitamente que el consumo de combustible es invariante galileano y se identifica la energía libre de Gibbs como la magnitud relevante en la descripción termodinámica del coche que acelera. Se discute también el caso, más realista, del movimiento del coche teniendo en cuenta las fuerzas de arrastre.

Traducción al castellano del abstract original.