Áp suất lốp ảnh hưởng đến trọng lượng của bánh xe là bao nhiêu


11

Loại cảm hứng từ câu hỏi này , nhưng một cái gì đó tôi đã suy nghĩ trong một thời gian.

Không khí trong lốp xe đạp nặng bao nhiêu? Nó có phải là một số tiền đáng giá? Có một điểm mà sử dụng lốp rộng hơn, như ở 28c ở 80 psi sẽ nhẹ hơn lốp 25c ở 100psi? Rõ ràng, điều này phụ thuộc vào lốp xe cụ thể được sử dụng. Tôi không có thang đo đủ chính xác để đo và tôi không có kiến ​​thức toán học / vật lý để tìm ra điều này.


Tôi thực sự nghi ngờ rằng đó là một số tiền đáng kể, nhưng đây là một câu hỏi hấp dẫn. Tôi hy vọng ai đó có kiến ​​thức và / hoặc thiết bị để đưa ra câu trả lời.
jimchristie

Một khi bạn đã hiểu được những câu trả lời hùng hồn và đầy thông tin dưới đây, cũng có những trường phái cho rằng bạn nên bơm lốp xe từ khí đóng chai thay vì không khí. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến khối lượng của bánh xe mà nó còn ảnh hưởng đến việc lốp xe xì hơi nhanh như thế nào. Hoặc có thể không.
PeteH

Câu trả lời:


21

Định luật khí lý tưởng (là một xấp xỉ tốt trong trường hợp này) cho biết PV = nRT trong đó P là áp suất, V là thể tích, n là mols của khí, R là hằng số định luật khí lý tưởng và T là nhiệt độ ở Kelvin.

Do đó, giải cho n, ta thấy n = (PV) / (RT). Sau đó, giả sử không khí được tạo thành từ {gas1, gas2, ...} với các phân số {p1, p2, ...} (vì vậy p1 + p2 + ... = 1) và khối lượng mol tương ứng {m1, m2, .. .}, khối lượng không khí trong lốp xe là (PV / (RT)) (p1 * m1 + p2 * m2 + ...). Vì vậy, những gì chúng ta thấy là khối lượng không khí trong lốp xe tỷ lệ thuận với thể tích của lốp xe và tỷ lệ thuận với áp suất trong lốp xe, và tỷ lệ nghịch với nhiệt độ của không khí trong lốp xe.

Chúng tôi sẽ đưa ra các giả định (hợp lý) sau: Giả sử nhiệt độ xung quanh nhiệt độ phòng (293 Kelvin) và thể tích của lốp bất kể áp suất là như nhau (chủ yếu được xác định bởi hình dạng của cao su, giả sử không bị phồng / quá mức ). Để thuận tiện, không khí khoảng {nitơ, oxy} với {p1, p2} = {0.8,0.2} và khối lượng mol {28 g / mol, 32 g / mol}. Do đó, theo các giả định này (V là cố định và T cố định), khối lượng không khí trong lốp xe tăng trưởng tuyến tính với áp suất.

Vì vậy, khối lượng không khí trong lốp có thể tích V và áp suất P và nhiệt độ T là khoảng (PV / RT) (0,8 * 28 + 0,2 * 32) gram. Có thể tốt hơn để viết nó là "P ((V / (RT)) (0.8 * 28 + 0.2 * 32)) gram" lưu ý rằng V / (RT) là một hằng số đối với chúng tôi.

Vì tôi không muốn đặt các thiết bị vào wolfram alpha một cách cẩn thận, bạn có thể đặt mục nhập "(7 bar * 10 gallon) / (hằng số khí lý tưởng * 293 Kelvin) * (0.8 * 28 + 0.2 * 32)" và đọc kết quả tính bằng gam (bỏ qua đơn vị ghi ở đó) để có ước tính trọng lượng của không khí trong 7 bar (~ 100 psi), lốp có thể tích 10 gallon khoảng 313 gram. 10 gallon có hợp lý không? Không.

Hãy thô thiển về việc ước tính thể tích của một ống bằng hình xuyến. Thể tích của hình xuyến là V = (pi * r ^ 2) (2 * pi * R) trong đó R là bán kính chính và r là bán kính phụ. Google sẽ tính toán nó cho bạn (và có một bức tranh về bán kính lớn và nhỏ là gì).

Tôi không thể bận tâm ra ngoài và đo những thứ này, nhưng hãy thật thô thiển và sử dụng một chiếc lốp xe lớn. Giả sử bán kính nhỏ là 2 inch, và bán kính chính là 15 inch (đây có thể là kích thước lớn hơn của lốp xe trên một cái gì đó giống như Surly Moonlander). Điều này có khối lượng khoảng 5 gallon. Nếu bạn là một người bình thường và chạy nó ở 7 bar, nó sẽ có khoảng 150 gram không khí. Ở mức 1 thanh hoặc 2 thanh hợp lý hơn, bạn sẽ ở mức 45 hoặc 90 gram.

Một chiếc lốp xe đạp đường mỏng thì sao? Hãy cũng cho rằng bán kính chính là khoảng 15 inch, và bán kính nhỏ là khoảng một nửa inch. Đó là khoảng 0,3 gallon thể tích. Cắm vào công thức của chúng tôi, ở 7 bar, chúng tôi thấy rằng đây là khoảng 9 gram. Tại 10 bar, một con số khổng lồ 13,5 gram.


6
Để tham khảo, theo túi khoai tây chiên tôi có bên cạnh (Lays lượn sóng Hickory Barbacue), một chip khoảng 2 gram. Vì vậy, nếu bạn là người đi xe đạp và bạn lo lắng về trọng lượng không khí trong lốp xe, hãy lưu ý rằng một khẩu phần khoai tây chiên (28 gram) nhiều hơn không khí trong cả hai lốp xe của bạn. Tất cả đều thấp hơn nhiều so với một chiếc lốp nhẹ (nhẹ nhất tôi có thể tìm thấy là 130 gram).
Batman

+ lên cho các ví dụ tính toán, rất thú vị.
olee22

2
Những gallon và inch mà bạn nói là gì?
andy256

Tôi là người Mỹ =)
dơi


9

Để tính trọng lượng của khí bạn cần thể tích, áp suất và nhiệt độ.

Một chiếc lốp xe đạp là một hình xuyến (bánh rán) với khối lượng được đưa ra theo công thức :

V = (πr ^ 2) (2πR)

Trong đó R là bán kính của bánh xe và r là bán kính của lốp xe. Đối với lốp 700c25, R sẽ là 311mm và r sẽ là 12,5mm mang lại thể tích 9,59 × 10 ^ 5 milimét hoặc 0,000959 mét khối.

Áp suất là 100 PSI, tương đương 689485 Pascals.

Nhiệt độ phòng khoảng 295 Kelvin.

Sử dụng Luật khí lý tưởng:

n = PV / RT

Trong đó R là hằng số khí , cho n là 0,27 mol khí.

Để giữ cho mọi thứ dễ dàng, giả sử lốp xe chứa đầy 100% nitơ. 1 mol nitơ nặng 28g nên khí trong lốp nặng 7,56g .


2

Chỉ trong trường hợp bạn thích kiến ​​thức chung hơn vật lý: mật độ không khí ở nhiệt độ hợp lý là khoảng 1,2 kgm -3 .

Thể tích lốp xe của bạn (chấp nhận câu trả lời của Tom77) là 0,000959m 3 .

Vì vậy, khối lượng không khí trong đó ở 15 ° C và áp suất khí quyển là khoảng 1,1g.

Sau đó, chúng ta cần một chút vật lý, mối quan hệ giữa khối lượng và áp suất đối với một loại khí nhất định trong một thể tích và nhiệt độ nhất định là tuyến tính. Điều này xuất phát từ luật của Boyle với điều kiện chúng tôi sẵn sàng tin rằng lượng khí gấp đôi ở cùng nhiệt độ và áp suất có khối lượng gấp đôi. Điều này rất giống với việc nói rằng hai thùng nước nặng gấp đôi một xô nước, vì vậy hy vọng không gây tranh cãi ;-) Vì vậy, tôi đã khéo léo tránh phải biết luật khí lý tưởng và giá trị của phổ quát hằng số khí có lợi cho một cái cũi trực tiếp ngoài đo không khí Wikipedia .

Áp suất khí quyển là 15 psi (ish), vì vậy khi bạn đo được 80psi thực sự là 95, do đó, nó dày hơn 95/15 = 6,3 lần so với không khí bên ngoài. Vậy câu trả lời là 6.3 * 1.1.

7g (0,2 ounce) , ở 15 ° C được nêu trong bài viết trên Wikipedia cho ước tính của tôi về mật độ không khí.

Nếu bạn thay đổi nhiệt độ từ đó thì áp suất sẽ thay đổi tuyến tính, theo định luật khí kết hợp (hay "định luật Gay-Lussac" rõ ràng là tên của thành phần này, tôi phải tìm kiếm điều này), miễn là bạn đo nhiệt độ trong Kelvins không Celsius. 0 ° C là 273,15K. Vì vậy, để xem xét sự thay đổi nhiệt độ và áp suất bắt đầu từ giá trị của tôi, chỉ cần nhân 7g theo tỷ lệ. Thêm 3 ° C là khoảng 1%, do đó chênh lệch nhỏ hơn biên sai số của tôi. Thêm 20psi vào áp suất là khoảng 20%, hoặc thêm 1g. Khối lượng không khí đã nhỏ hơn nhiều so với trọng lượng của các bánh xe. Vì vậy, áp suất có ảnh hưởng nhiều hơn nhiệt độ đối với các ví dụ bạn đưa ra nhưng không, nó không ảnh hưởng đáng kể đến trọng lượng của các bánh xe .

Ngoài ra còn có một yếu tố gây nhiễu nhỏ khác, đó là các ống bên trong bị co giãn và do đó âm lượng sẽ tăng lên một chút khi áp suất thay đổi, cần thêm một chút khí. Nhưng không nhiều.


1
Chà, bây giờ là 7.56g hay 7 chẵn ?? Các bạn làm cho tâm trí của bạn !!!
Daniel R Hicks

@DanielRHicks: Phải, chúng tôi thậm chí không đồng ý với 1sf!
Steve Jessop

@DanielRHicks: Giá trị rút 10% thường hữu ích. Bạn đã không chỉ định các điều kiện trong câu hỏi ban đầu của mình, vì vậy người trả lời phải đoán. Trong thực tế, không ai đã chỉ định liệu áp lực là tuyệt đối hay đo (liên quan đến không khí). Điều này làm cho sự khác biệt hơn 10% ở áp suất lốp xe đạp thông thường. Thực tế là chúng ta đang nói một chữ số gram nói rằng chênh lệch khối lượng không khí sẽ bị chi phối bởi chênh lệch khối lượng lốp / vành - một thực tế hữu ích.
Ross Millikan

@RossMillikan - Tôi đã được khuyến khích. Giá trị trong hệ số 10 là đủ tốt ở đây.
Daniel R Hicks

2

thực sự nó ảnh hưởng nhiều hơn đã được đề xuất. Tôi đã thử nghiệm các dẫn xuất lý thuyết. Tôi có một lốp xe tải siêu đơn (rất lớn). Với tốc độ 115psi, nó nặng tới 219lbs. Ở 0psi, nó nặng tới 214lbs. Sử dụng V = (πr ^ 2) (2πR) và n = PV / RT (r = 0.178m và R = 0.15m) tôi nhận được 1,65lbs trọng lượng không khí. Nhưng sự khác biệt thực tế là 5lbs. Tôi đã đánh dấu r và R vì vậy đó là những ước tính chính, nhưng tôi không mong đợi sẽ giảm được 4lbs! :) Tôi đã phải nâng lốp để gắn nó lên xe tải như một phụ tùng và tôi đánh giá cao 5lbs về trọng lượng của nó! :)


Chào mừng bạn đến với Xe đạp SE. Chúng tôi yêu cầu bạn viết hết khả năng của mình trên trang này. Điều này có nghĩa là viết hoa đúng, dấu câu đúng và câu hoàn chỉnh. Bạn có thể chỉnh sửa câu trả lời của mình bằng nút "chỉnh sửa" ở cuối câu trả lời. Nếu bạn không làm như vậy, nó có khả năng bị hạ cấp, gắn cờ cho sự can thiệp của người điều hành và có thể bị xóa.
jimchristie

Một chiếc lốp xe tải không phải là một hình xuyến - nó gần với máy giặt hơn (tức là một xi lanh với một xi lanh đồng tâm được loại bỏ). Nếu lốp rộng w, bán kính trong r và bán kính ngoài R, bạn nên sử dụng pi (R ^ 2-r ^ 2) w để ước tính thể tích. Lốp xe đạp hoặc lốp xe máy gần với hình xuyến hơn là máy giặt, đó là lý do tại sao tôi sử dụng nó trong tính toán của mình. Ngoài ra, lốp xe này có đường kính gần 11-12 feet, có vẻ rất lớn!
dơi

1

Mặc dù câu hỏi này (thực ra, những câu hỏi này, vì có ba) câu hỏi đã được trả lời, giống như, một năm rưỡi trước, nó đã sớm (tốt, đó là khi tôi bắt đầu gõ câu hỏi này). Và mưa. Vì vậy, tôi không đi xe. Vì vậy, tôi ở đây ...

Dù sao, câu trả lời của tôi thực sự thô thiển (như thô, không chính xác, không chính xác, gần đúng, nhưng đủ gần cho công việc của chính phủ), nhưng phải nằm trong tham số được chỉ định (ghi chú trong một trong các ý kiến) về "Giá trị trong một yếu tố 10 là đủ tốt ở đây ".


Câu 1: "Không khí trong lốp xe đạp nặng bao nhiêu?"

A1: Tóm lại: dưới 12 đến 16 gram (đối với lốp 700cx23 ở 105psi).

Các giá trị "12 đến 16" dựa trên CO2, theo tôi, có phần nặng hơn không khí. Tuy nhiên, sự khác biệt nằm trong hệ số "đủ tốt" là 10.

Các giá trị "12 đến 16" được xác định thông qua thử nghiệm. Đó là, một hộp mực CO2 12g lấp đầy một lốp 700c x 23mm phổ biến đến khoảng 80psi. Một CO2 16g sẽ đổ đầy lốp tương tự vào khoảng 105psi. (Độ chính xác chưa biết của đồng hồ đo áp suất của tôi mặc dù.)


Q2: "Đó có phải là một số tiền đáng kể?"

A2: Điều đó phụ thuộc vào: bạn đánh giá cao bao nhiêu gram không khí? :)


Câu 3: "Có điểm nào khi sử dụng lốp rộng hơn, như ở 28c ở 80 psi sẽ nhẹ hơn lốp 25c ở 100psi không?"

A3: Không.

Điều này là do 80psi không khí chỉ nhẹ hơn vài gram (2 đến 4?) So với 100psi (trong lốp 700c X 23mm), và tôi đoán rằng lốp 28mm nặng hơn vài gram so với cùng một vài gram lốp 23mm hoặc 25 mm, và lốp lớn hơn sẽ chứa nhiều không khí hơn, phần nào bù đắp lượng không khí giảm do áp suất thấp hơn.


0

Không ai đã thực sự giải quyết kích thước so với phần áp lực của câu hỏi.

Lốp xe có kích thước khác nhau sẽ có cùng khối lượng không khí. Khi kích thước của lốp tăng lên, áp suất thiết kế giảm xuống. Các miếng vá tiếp xúc phải hỗ trợ trọng lượng của người lái. Giả sử xe đạp với người lái là 100 lbs ở bánh sau. Với 100 psi kích thước của miếng vá tiếp xúc là 1 inch vuông. Trên một chiếc lốp lớn hơn, bạn có thể giảm áp suất xuống để có được một miếng vá tiếp xúc lớn hơn. Ở 80 psi, người lái tương tự sẽ có một miếng vá tiếp xúc 1,25 inch vuông. Bạn không thể chỉ giảm áp lực lên một chiếc lốp nhỏ để có được một miếng vá tiếp xúc lớn hơn mà không cần đập vào vành.

Giả sử n trong PV = nRT giống nhau trong tất cả các lốp có đường kính. Nếu vậy mối quan hệ của đường kính với áp lực sẽ là gì? S cho nhỏ và B cho lớn

nS = Pb * Vb / (R * T)
nB = Ps * Vs / (R * T)
khẳng định (kiểm tra) là nS = nB
Pb * Vb / (R * T) = Ps * Vs / (R * T )
R * T loại bỏ
Pb * Vb = Ps * Vs
Pb / Ps = Vs / Vb
Pb / Ps = (πrS ^ 2) (2πR) / (πrB ^ 2) (2πR)
Pb / Ps = rS ^ 2) / rB ^ 2
Pb / Ps = (rS / rB) ^ 2

Nếu Pb / Ps = (rS / rB) ^ 2 thì hai lốp xe sẽ có cùng khối lượng không khí.
Nếu áp suất tỷ lệ nghịch với đường kính bình phương thì hai lốp xe có cùng khối lượng không khí.

Vì vậy, hãy kiểm tra ở mức 25 mm 100psi và xem áp suất nào ở 28mm có cùng trọng lượng
Pb = (25-28) ^ 2 * 100
Pb = 79,7 PSI

Vì vậy, trong ví dụ của bạn về 28c ở 80 psi so với lốp 25c ở 100psi
Câu trả lời gần như chính xác cùng một khối lượng

Không phải là câu hỏi nhưng nếu bạn giả sử cùng một khối lượng thì làm thế nào để tiếp xúc với kích thước miếng vá với đường kính. Bản vá liên hệ là tải / áp suất Vì vậy tỷ lệ đó là
(Lb / Pb) / (Ls / Ps)
nhưng Lb = Ls nên
Ps / Pb
phụ cho Pb từ trên
Ps / Ps * (rS / rB) ^ 2
1 / (rS / rB) ^ 2
(rB / rS) ^ 2

Vì vậy, nếu bạn giữ khối lượng trong lốp không đổi thì miếng vá tiếp xúc sẽ tăng lên theo bình phương đường kính. Và điều đó có ý nghĩa vì diện tích tỷ lệ với đường kính vuông.

Tại sao bạn sẽ giữ khối lượng như nhau? Bởi vì nó có ý nghĩa. Xem xét lực các hạt phải chịu được. Nếu khối lượng là như nhau thì tổng lực tác dụng lên hạt là như nhau. Cùng một số phân tử sẽ tạo ra cùng một lực. Lực tỷ lệ với diện tích áp suất *. Lực tỷ lệ với r ^ 2 * P.
Xét tỷ lệ của lực tác dụng lên các hạt từ đường kính lớn đến nhỏ ở khối lượng không khí không đổi.
Fb / Fs
Pb * rB ^ 2 / Ps * rS ^ 2
sub cho Ps một lần nữa với giả định khối lượng không đổi
Ps * (rS / rB) ^ 2 * rB ^ 2 / (Ps * rS ^ 2)
1
Nếu bạn giữ số phân tử không đổi thì tổng lực tác dụng lên hạt không đổi bất kể đường kính lốp.

Tôi biết rất nhiều bạn sẽ nghĩ tôi đầy BS. Nhưng đường kính kích thước khác nhau có cùng số lượng phân tử trong đó. Khi đường kính tăng lên, kích thước miếng vá tiếp xúc tăng lên với bình phương đường kính. Vì vậy, lốp xe 2 "trên danh nghĩa sẽ có 1/2 áp suất và 4 x kích thước tiếp xúc của 1".

Ngay cả ở áp suất thấp hơn, đường kính lớn hơn ít bị ảnh hưởng bởi các nhúm vì nó có thể di chuyển đến vành và nó xây dựng khu vực nhanh hơn so với độ võng. Tôi biết thậm chí nhiều bạn sẽ không tin tôi về điều này nhưng ngay cả ở áp suất thấp hơn, sức cản của pinch tỷ lệ thuận với đường kính bình phương.


0

Đợi đã, cái gì? Các câu trả lời trên nhận xét về khối lượng không khí bên trong lốp xe (mà tôi cho là những gì đang được hỏi). Tuy nhiên, sự khác biệt trọng lượng từ một lốp rỗng đến lốp xe là gì? Phao nói không!

Chỉ đo từ thời điểm này là sự thay đổi mô men quán tính của lốp tức là việc tăng tốc dễ dàng như thế nào.


1
Tôi không chắc lắm về điều đó. Không khí trong lốp được nén. Nó dày đặc hơn không khí xung quanh nó (bên ngoài lốp xe), tôi không nghĩ rằng độ nổi sẽ bù đắp cho tất cả những gì đã mất khi bạn nhồi nhét càng nhiều không khí vào lốp xe. Am i thiếu cái gì ở đây?
dlu

@dlu, tôi đã không xem xét điều đó (vì vậy có thể trả lời là sai). Vẫn sẽ không nặng như trong chân không.
Vorac

:-) phụ thuộc, tôi cho rằng, nơi bạn tìm thấy chân không (và có tính mô phạm về sự khác biệt giữa trọng lượng và khối lượng).
dlu
Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.