Snelheid achtbaan berekenen met wrijving

Xander stelde deze vraag op 29 november 2020 om 17:04.

Hallo,

Ik ben nu al enkel dagen bezig met het maken van een achtbaan simulatie op de computer. Om dit zo realistisch mogelijk te maken maak ik gebruik van enkele formules die de snelheid kunnen berekenen.

PE (potentiële energie) = m * g  * h
KE (kinetische energe) = m * v²

v = 

m is massa in kg, g is de valsnelheid (9.81m/s), h is de hoogte van de baan en v is de snelheid van het treintje in m/s

Het nadeel aan deze formules is dat ze de snelheid berekenen zonder factoren zoals wrijving. 
Hoe kan ik de snelheid berekenen met wrijving (tussen wielen en de baan en luchtwrijving). De wrijvingscoëfficient van een gemiddelde achtbaan ligt tussen 0.009 en 0.018.

Alvast bedankt!

Reacties

Theo de Klerk op 29 november 2020 om 17:53
kinetische energie is 1/2 mv2 (dat lijk je in de verdere formule wel zo te hanteren).

1/2 mv2 = PE + KE

lijkt me het verkeerde uitgangspunt.  Alleen de verandering in PE leidt tot een toe/afname van KE en daarmee de totale kinetische energie.  Ipv mgh is het dus mgΔh zodat je voor elke modelstap de Δh zult moeten bepalen.

Wrijving van wielen zal vooral rolwrijving zijn - een constante waarde ongeacht snelheid
De luchtwrijving hangt wel van de snelheid af, alsook van het "effectieve oppervlak" waartegen de lucht botst.
Als je de snelheid kunt bepalen, kun je die gebruiken om de luchtwrijving te berekenen.
Omdat dit een soort cirkel-berekening is (bereken v, bepaal weerstand, bereken daarmee nieuwe v, bepaal nieuwe weerstand enz) ontkom je niet aan een model. Er is geen formule voor die alles in 1x uitrekent.

De wrijvingscoefficient is vooral voor schuif-wrijving. Zoals geblokkeerde wielen die langs de rail glijden. Als de wielen rollen zal er van schuifwrijving geen sprake zijn: elk punt van het wiel dat de rails raakt staat stil tov de rail.
Jan van de Velde op 29 november 2020 om 17:58

Theo de Klerk

De wrijvingscoefficient is vooral voor schuif-wrijving. Zoals geblokkeerde wielen die langs de rail glijden. Als de wielen rollen zal er van schuifwrijving geen sprake zijn: elk punt van het wiel dat de rails raakt staat stil tov de rail.

 Ik denk dat Xander dan ook de rolweerstand bedoelt, die coëfficiënten die hij noemt liggen wel ongeveer in die orde van grootte.
Reden te meer overigens voor een "model". Omdat de normaalkracht overal langs de looping anders is, zal die rolwrijving dat ook zijn.  

Groet, Jan

Xander op 29 november 2020 om 18:49
Om de rolweerstand te berekenen gebruik ik onderstaande formule:

Frol = rolweerstandcoëfficiënt * massa * valsnelheid * cos(hoek van punt a naar punt b)

En om dan de luchtweerstand te berekenen gebruik ik deze formule.

Flucht = 0.5 * rho (1.28 kg/m³) * luchtweerstandcoëfficiënt * frontaal oppervlakte dat wind tegen zich krijgt * snelheid²

Beiden resultaten zullen in de eenheid Newton zijn, terwijl KE en PE en Joule zullen zijn. Ik heb ergens gelezen dat 1 Joule gelijk is aan 1 Newton per meter, kan dit correct zijn? Want dan zou ik de resultaten eventueel kunnen omzetten naar Joule door ze te vermenigvuldigen met de afstand om ze daarna van KE en PE af te trekken.
Jan van de Velde op 29 november 2020 om 19:02

Xander Wouters

Om de rolweerstand te berekenen gebruik ik onderstaande formule:

Frol = rolweerstandcoëfficiënt * massa * valsnelheid * cos(hoek van punt a naar punt b)


 dag Xander,
je mist hier
1: het feit dat je in een looping te maken hebt met een middelpuntzoekende kracht: de snelheid bepaalt mede die normaalkracht: hoe groter de snelheid, hoe groter de kracht die de baan moet leveren om de kar de bocht om te duwen. 
2: het feit dat die formule ergens onderweg een negatieve rolweerstand zal opleveren (want negatieve waarde voor cosinus) , en dat gaat gekke resultaten opleveren

en die "valsnelheid" in je formule moet valversnelling zijn

Xander Wouters

 Ik heb ergens gelezen dat 1 Joule gelijk is aan 1 Newton per meter, kan dit correct zijn? 

 Nee, een joule staat gelijk aan een newtonmeter, newton x meter, niet per meter

Ik hoop trouwens dat je aan het modelleren bent, zoals in Coach of zo. Hol jezelf dan niet voorbij door alles tegelijk in dat model te willen steken. Ik garandeer je dat je model dan gekke dingen gaat doen, en dat in al die samenhangende modelregels niet meer te achterhalen is waar die gekke dingen vandaan komen.

Bouw eerst een simpel model zonder wrijvingen of weerstand, dat gaat met die rare beweging in die looping al lastig genoeg zijn, misschien zelfs eerst maar eens beginnen met een rechte helling. Het resultaat van je model toets je dan aan je verwachtingen: doet het model wat je denkt dat het zou moeten doen? Ook als je de helling vergroot of verkleint, etc? Pas dan steeds één dingetje toevoegen, en weer toetsen. En zo stap voor stap verder.

Plaats een reactie

+ Bijlage

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Ariane heeft zevenentwintig appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Ariane nu over?

Antwoord: (vul een getal in)