Гравитация — скучная сила, если только вы не задумываетесь о ней. Я тяну машину вниз. Каждый раз. Земля отвечает взаимным давлением с равной силой. Шины крепко сцепляются с поверхностью дороги. Машина стоит на месте. Неподвижно.
Затем вы давите на газ.
Всё мгновенно меняется. Задние колёса давят на землю. Горизонтальная сила. Реальная сила. Машина ускоряется. На низких скоростях почти вся мощность двигателя преобразуется в перемещение массы. Второй закон Ньютона — ваш друг. Сила равна массе, умноженной на ускорение. Просто.
Но машина сопротивлялась. Инерция — сволочь. Она отвечает силой, пропорциональной её весу. Чем быстрее вы толкаете, тем сильнее она толкает обратно.
Воздух становится помехой
Скорость убивает ускорение. Не потому, что двигатель теряет мощность, а потому, что это делает воздух.
По мере движения автомобиля давление воздуха возрастает. Сопротивление воздуха увеличивается. Это не линейная зависимость. Это экспоненциальная. Удваиваете скорость? Увеличиваете сопротивление вчетверо. Воздух оказывает давление на переднюю часть автомобиля. Он действует в направлении, противоположном тяговой силе шин.
Таким образом, вы вычитаете сопротивление из вашей тяговой силы.
$$ F_{Net} = F_{Drive} — F_{Drag} $$
Сначала $F_{drive}$ побеждает. С большим запасом. Вы даже можете почувствовать это из своего сиденья. Сила, доступная для ускорения, велика. Однако по мере увеличения скорости $F_{drag}$ также возрастает. Она поглощает избыточную силу.
Удар о стену
В конце концов появляется предел. Максимальная скорость.
Это не сбой. Это физика. При этой конкретной скорости тяговая сила точно равна сопротивлению воздуха.
$$ F_{drive} = F_{drag} $$
Результирующая сила равна нулю. Ускорение прекращается. Машина не может двигаться быстрее. Двигатель может всё ещё иметь мощность, но сила воздуха, толкающего назад, больше, чем сила шин, толкающих вперёд.
Почему это важно? Потому что большинство людей думают, что максимальная скорость связана с лошадиными силами. Это не так. Всё дело в коэффициенте аэродинамического сопротивления и фронтальной площади. Автомобили с худшей аэродинамикой и меньшей скоростью достигнут этой стены раньше. Быстрая машина с обтекаемыми линиями откладывает этот момент.
Воздух не заботится о времени разгона от 0 до 60 миль/ч. Он просто сопротивляется. И когда он сопротивляется с такой же силой, с какой вы толкаете вперёд, вы остановлены.
Или нет? Если вы опустите капот. Или смените шины. Или просто подождёте следующую передачу. Битва между шинами и воздухом никогда не заканчивается. Она просто сбрасывается.
