Зачем при пробуксовывании колёсного трактора на него подвешивают груз или заливают воду в баллоны его ведущих колёс?

Чтобы подробно разобраться в этом вопросе, нужно рассмотреть несколько физических концепций, связанных с силой трения, весом и взаимодействием колес трактора с поверхностью.

1. Сила трения и её виды.
Сила трения – это сила, которая возникает при взаимодействии двух поверхностей. В случае трактора это взаимодействие между колесами и дорогой. Сила трения бывает:
− Сила трения покоя – это сила, которая удерживает объект в неподвижном состоянии относительно другой поверхности и препятствует его движению.
− Сила трения скольжения – возникает, когда объект уже движется, но взаимодействие между поверхностями продолжает препятствовать движению.

Для эффективного передвижения трактора важна сила трения покоя между его колесами и почвой. Если колесо начинает проскальзывать, то сила трения покоя заменяется силой трения скольжения, которая, как правило, меньше. Это приводит к потере сцепления с дорогой и снижению эффективности работы трактора.

2. Зависимость силы трения от нормальной силы.
Сила трения зависит от двух основных факторов:
− Коэффициента трения (характеристики взаимодействующих поверхностей);
− Силы нормального давления (перпендикулярной к поверхности).

Формула силы трения:
$$ F_{\text{тр}} = \mu \cdot N, $$
где:
− $ F_{\text{тр}} $ – сила трения;
− $ \mu $ – коэффициент трения (безразмерная величина);
− $ N $ – сила нормального давления (равная весу тела, действующему перпендикулярно поверхности).

Для колесного трактора $ N $ – это вес трактора, который зависит от массы. Чем больше вес, тем больше нормальная сила давления, а значит, больше сила трения покоя, препятствующая проскальзыванию колес.

3. Пробуксовывание и его причины.
Пробуксовывание колес происходит, когда сила тяги двигателя превышает силу трения покоя. Это может произойти, если:
− Поверхность дороги слишком скользкая (например, мокрая глина, лед, влажная трава), и коэффициент трения мал;
− Давление колес на поверхность недостаточно, чтобы обеспечить хорошее сцепление.

Когда сила тяги становится больше, чем сила трения покоя, колеса начинают скользить, что приводит к неэффективному расходу энергии и снижению тяговой мощности трактора.

4. Способы увеличения силы трения.
Для увеличения силы трения можно:
− Повысить коэффициент трения (например, использовать шины с более агрессивным протектором или специальные цепи);
− Увеличить силу нормального давления $ N $, что достигается увеличением веса трактора.

5. Подвешивание груза или заливка воды в баллоны колес.
Добавление массы к трактору за счёт подвешивания груза или заливки воды в баллоны ведущих колес увеличивает его вес. Это приводит к увеличению нормальной силы давления $ N $, которая, в свою очередь, увеличивает максимальную силу трения покоя.

Важно подчеркнуть, что вода добавляется именно в баллоны ведущих колес, поскольку это те колеса, которые обеспечивают движение трактора. Увеличение их веса улучшает сцепление с дорогой и позволяет передавать больший крутящий момент без пробуксовывания.

6. Практическая сторона вопроса.
− Заливка воды в баллоны колес – это простой и эффективный способ увеличить массу трактора без существенного увеличения затрат. Вода плотно заполняет внутреннюю полость и равномерно распределяет массу.
− Подвешивание груза – ещё один способ увеличения массы, который позволяет регулировать нагрузку, добавляя или убирая груз в зависимости от условий (например, на более рыхлой или скользкой почве).

7. Итог.
Добавление нагрузки в виде воды или груза увеличивает силу нормального давления на поверхность, что, в свою очередь, повышает силу трения покоя между колесами трактора и дорогой. Это уменьшает вероятность пробуксовывания и позволяет трактору эффективнее передавать тяговую силу на поверхность.