Շփումը ֆիզիկական երևույթ է, որի հետ մարդը պայքարում է մեխանիզմների ցանկացած պտտվող և սահող մասերում այն նվազեցնելու համար, առանց որի, սակայն, այս մեխանիզմներից որևէ մեկի շարժումն անհնար է: Այս հոդվածում մենք ֆիզիկայի տեսանկյունից կքննարկենք, թե որն է պտտվող շփման ուժը։
Շփման ուժերի ի՞նչ տեսակներ կան բնության մեջ:
Առաջին հերթին, հաշվի առեք, թե ինչ տեղ է գրավում պտտվող շփումը շփման այլ ուժերի միջև: Այս ուժերն առաջանում են երկու տարբեր մարմինների շփման արդյունքում։ Այն կարող է լինել պինդ, հեղուկ կամ գազային մարմիններ։ Օրինակ՝ ինքնաթիռի թռիչքը տրոպոսֆերայում ուղեկցվում է նրա մարմնի և օդի մոլեկուլների միջև շփման առկայությամբ։
Հաշվի առնելով բացառապես պինդ մարմինները՝ առանձնացնում ենք հանգստի, սահելու և գլորվելու շփման ուժերը։ Մեզանից յուրաքանչյուրը նկատեց՝ արկղը հատակին շարժելու համար հարկավոր է որոշակի ուժ կիրառել հատակի մակերեսի երկայնքով։ Այն ուժի արժեքը, որը դուրս կբերի տուփերը հանգստից, բացարձակ արժեքով հավասար կլինի մնացած շփման ուժին: Վերջինս գործում է տուփի հատակի և հատակի մակերեսի միջև։
ԻնչպեսԵրբ տուփը սկսում է իր շարժումը, պետք է կիրառվի մշտական ուժ այս շարժումը միատեսակ պահելու համար: Այս փաստը կապված է այն բանի հետ, որ հատակի և տուփի շփման միջև վերջինիս վրա գործում է սահող շփման ուժ։ Որպես կանոն, այն մի քանի տասնյակ տոկոսով պակաս է ստատիկ շփումից։
Եթե տուփի տակ կոշտ նյութից կլոր բալոններ դնեք, այն տեղափոխելը շատ ավելի հեշտ կլինի։ Գլորվող շփման ուժը կգործի տուփի տակ շարժման գործընթացում պտտվող բալոնների վրա: Այն սովորաբար շատ ավելի փոքր է, քան նախորդ երկու ուժերը: Ահա թե ինչու մարդկության կողմից անիվի գյուտը հսկայական թռիչք էր դեպի առաջընթաց, քանի որ մարդիկ կարողացան շատ ավելի մեծ բեռներ տեղափոխել քիչ կիրառվող ուժով:
Գլորվող շփման ֆիզիկական բնույթը
Ինչու է առաջանում պտտվող շփում: Այս հարցը հեշտ չէ. Դրան պատասխանելու համար պետք է մանրամասն դիտարկել, թե ինչ է տեղի ունենում անիվի և մակերեսի հետ գլորման գործընթացում: Նախ, դրանք կատարյալ հարթ չեն՝ ոչ անիվի մակերեսը, ոչ էլ այն մակերեսը, որի վրա այն գլորվում է: Այնուամենայնիվ, սա չէ շփման հիմնական պատճառը: Հիմնական պատճառը մեկ կամ երկու մարմինների դեֆորմացիան է։
Ցանկացած մարմին, անկախ նրանից, թե ինչ պինդ նյութից են դրանք պատրաստված, դեֆորմացվում են։ Որքան մեծ է մարմնի քաշը, այնքան ավելի մեծ ճնշում է այն գործադրում մակերեսի վրա, ինչը նշանակում է, որ այն դեֆորմացվում է շփման վայրում և դեֆորմացնում մակերեսը։ Այս դեֆորմացիան որոշ դեպքերում այնքան փոքր է, որ չի գերազանցում առաձգական սահմանը։
Bանիվի գլորման ժամանակ մակերեսի հետ շփման դադարեցումից հետո դեֆորմացված հատվածները վերականգնում են իրենց սկզբնական ձևը։ Այնուամենայնիվ, այս դեֆորմացիաները ցիկլային կերպով կրկնվում են անիվի նոր պտույտով։ Ցանկացած ցիկլային դեֆորմացիա, նույնիսկ եթե այն գտնվում է առաձգական սահմանի մեջ, ուղեկցվում է հիստերեզով։ Այսինքն՝ մանրադիտակային մակարդակում մարմնի ձևը դեֆորմացիայից առաջ և հետո տարբեր է։ Անիվի գլորման ժամանակ դեֆորմացիոն ցիկլերի հիստերեզը հանգեցնում է էներգիայի «ցրման», որը գործնականում դրսևորվում է պտտվող շփման ուժի տեսքով։
Կատարյալ մարմնի գլորում
Իդեալական մարմնի տակ այս դեպքում նկատի ունենք, որ այն չդեֆորմացվող է։ Իդեալական անիվի դեպքում նրա շփման մակերեսը մակերեսի հետ զրո է (այն դիպչում է գծի երկայնքով մակերեսին):
Բնութագրենք ուժերը, որոնք գործում են չդեֆորմացվող անիվի վրա։ Նախ, սրանք երկու ուղղահայաց ուժեր են. մարմնի քաշը P և աջակցության արձագանքման ուժը N: Երկու ուժերն էլ անցնում են զանգվածի կենտրոնով (անիվի առանցքով), հետևաբար նրանք չեն մասնակցում ոլորող մոմենտ ստեղծելուն: Նրանց համար կարող եք գրել՝
P=N
Երկրորդ, սրանք երկու հորիզոնական ուժեր են. արտաքին ուժ F, որն առաջ է մղում անիվը (այն անցնում է զանգվածի կենտրոնով), և պտտվող շփման ուժ fr: Վերջինս ստեղծում է ոլորող մոմենտ M: Նրանց համար կարող եք գրել հետևյալ հավասարումները՝
M=frr;
F=fr
Ահա r-ն անիվի շառավիղն է: Այս հավասարությունները շատ կարևոր եզրակացություն են պարունակում. Եթե շփման ուժը fr անսահման փոքր է, ապա այնդեռ կստեղծի ոլորող մոմենտ, որը կստիպի անիվը շարժվել: Քանի որ F արտաքին ուժը հավասար է fr, ապա F-ի ցանկացած անսահման փոքր արժեք կհանգեցնի անիվը գլորվելու: Սա նշանակում է, որ եթե պտտվող մարմինը իդեալական է և շարժման ընթացքում դեֆորմացիա չի ունենում, ապա կարիք չկա խոսել գլորվող շփման ուժի մասին։
Բոլոր գոյություն ունեցող մարմինները իրական են, այսինքն՝ դեֆորմացիա են ունենում։
Իրական մարմնի գլորում
Այժմ վերը նկարագրված իրավիճակը դիտարկենք միայն իրական (դեֆորմացվող) մարմինների դեպքում: Անիվի և մակերեսի միջև շփման տարածքն այլևս զրո չի լինի, այն կունենա որոշակի վերջավոր արժեք:
Եկեք վերլուծենք ուժերը. Սկսենք ուղղահայաց ուժերի գործողությունից, այսինքն՝ հենարանի քաշից և արձագանքից։ Նրանք դեռ հավասար են միմյանց, այսինքն՝
N=P
Սակայն N ուժն այժմ գործում է ուղղահայաց դեպի վեր ոչ թե անիվի առանցքի միջով, այլ փոքր-ինչ շեղված է նրանից d հեռավորությամբ: Եթե անիվի մակերևույթի հետ շփման տարածքը պատկերացնենք որպես ուղղանկյունի մակերես, ապա այս ուղղանկյան երկարությունը կլինի անիվի հաստությունը, իսկ լայնությունը՝ 2դ։։
Այժմ անցնենք հորիզոնական ուժերի դիտարկմանը: Արտաքին F ուժը դեռևս չի ստեղծում ոլորող մոմենտ և հավասար է շփման ուժին fr բացարձակ արժեքով, այսինքն՝
F=fr.
Դեպի պտույտ տանող ուժերի մոմենտը կստեղծի շփում fr և հենարանի արձագանքը N: Ընդ որում, այդ ակնթարթները կուղղվեն տարբեր ուղղություններով: Համապատասխան արտահայտությունն էտեսակ՝
M=Nd - frr
Հավասարաչափ շարժման դեպքում M մոմենտը հավասար կլինի զրոյի, ուստի ստանում ենք՝
Nd - frr=0=>
fr=d/rN
Վերջին հավասարությունը, հաշվի առնելով վերը գրված բանաձևերը, կարող է վերաշարադրվել հետևյալ կերպ.
F=d/rP
Իրականում մենք ստացել ենք պտտվող շփման ուժը հասկանալու հիմնական բանաձևը: Հետագայում հոդվածում մենք կվերլուծենք այն։
Գլորման դիմադրության գործակից
Այս գործակիցն արդեն ներկայացվել է վերևում։ Տրվեց նաև երկրաչափական բացատրություն. Խոսքը դ–ի արժեքի մասին է։ Ակնհայտ է, որ որքան մեծ է այս արժեքը, այնքան մեծ է պահը ստեղծում հենարանի արձագանքման ուժը, որը կանխում է անիվի շարժումը:
Շարժման դիմադրության d գործակիցը, ի տարբերություն ստատիկ և սահող շփման գործակիցների, ծավալային արժեք է: Այն չափվում է երկարության միավորներով։ Աղյուսակներում այն սովորաբար տրվում է միլիմետրերով: Օրինակ, գնացքի անիվների համար, որոնք գլորվում են պողպատե ռելսերի վրա, d=0,5 մմ: d-ի արժեքը կախված է երկու նյութերի կարծրությունից, անիվի ծանրաբեռնվածությունից, ջերմաստիճանից և մի շարք այլ գործոններից:
Գլորման շփման գործակից
Մի շփոթեք այն նախորդ d գործակցի հետ. Գլորման շփման գործակիցը նշվում է Cr խորհրդանիշով և հաշվարկվում է հետևյալ բանաձևով.
Cr=d/r
Այս հավասարությունը նշանակում է, որ Cr-ը չափազուրկ է: Հենց նա է տրված մի շարք աղյուսակներում, որոնք պարունակում են տեղեկատվություն շփման դիտարկվող տեսակի մասին: Այս գործակիցը հարմար է օգտագործել գործնական հաշվարկների համար,քանի որ այն չի ներառում անիվի շառավիղը իմանալը:
Cr-ի արժեքը շատ դեպքերում ավելի քիչ է, քան շփման և հանգստի գործակիցները: Օրինակ, ասֆալտի վրա շարժվող մեքենաների անվադողերի համար Cr արժեքը մի քանի հարյուրերորդական է (0,01 - 0,06): Այնուամենայնիվ, այն զգալիորեն ավելանում է, երբ անվադողերը ծակվում են խոտի և ավազի վրա (≈0.4):
Ստացված բանաձևի վերլուծություն fr
ուժի համար
Եկեք նորից գրենք պտտվող շփման ուժի վերը նշված բանաձևը.
F=d/rP=fr
Հավասարությունից հետևում է, որ որքան մեծ է անիվի տրամագիծը, այնքան քիչ F ուժ պետք է կիրառվի, որպեսզի այն սկսի շարժվել։ Այժմ այս հավասարությունը գրում ենք Cr գործակցի միջոցով, ունենք՝
fr=CrP
Ինչպես տեսնում եք, շփման ուժն ուղիղ համեմատական է մարմնի քաշին: Բացի այդ, P քաշի զգալի աճով փոխվում է ինքնին Cr գործակիցը (այն աճում է d-ի աճի շնորհիվ): Շատ գործնական դեպքերում Cr գտնվում է մի քանի հարյուրերորդականի սահմաններում: Իր հերթին, սահող շփման գործակիցի արժեքը գտնվում է մի քանի տասներորդի սահմաններում: Քանի որ գլորման և սահող շփման ուժերի բանաձևերը նույնն են, գլորումը օգտակար է էներգետիկ տեսանկյունից (fr ուժը մեծության կարգով փոքր է, քան սահող ուժը. առավել գործնական իրավիճակներ).
Գլորման վիճակ
Մեզնից շատերը բախվել են սառույցի կամ ցեխի վրա վարելիս մեքենայի անիվների սայթաքման խնդրի հետ: Ինչու սատեղի է ունենում Այս հարցին պատասխանելու բանալին գտնվում է շարժման և հանգստի շփման ուժերի բացարձակ արժեքների հարաբերակցության մեջ: Եկեք նորից գրենք պտտվող բանաձևը՝
F ≧ CrP
Երբ F ուժը մեծ է կամ հավասար է պտտվող շփմանը, ապա անիվը կսկսի գլորվել: Այնուամենայնիվ, եթե այս ուժը ավելի վաղ գերազանցի ստատիկ շփման արժեքը, ապա անիվը կսահի ավելի շուտ, քան գլորելը:
Այսպիսով, սայթաքման էֆեկտը որոշվում է ստատիկ շփման և պտտվող շփման գործակիցների հարաբերակցությամբ։
Մեքենայի անիվների սայթաքմանը հակազդելու ուղիներ
Մեքենայի անիվի պտտվող շփումը սայթաքուն մակերեսի վրա (օրինակ՝ սառույցի վրա) բնութագրվում է Cr=0,01-0,06 գործակցով: Այնուամենայնիվ, արժեքները նույն կարգը բնորոշ է ստատիկ շփման գործակցի համար։
Անիվների սայթաքման վտանգից խուսափելու համար օգտագործվում են հատուկ «ձմեռային» անվադողեր, որոնց մեջ պտտվում են մետաղական հասկեր։ Վերջիններս, բախվելով սառցե մակերեսին, մեծացնում են ստատիկ շփման գործակիցը։
Ստատիկ շփումը մեծացնելու մեկ այլ միջոց է փոփոխել մակերեսը, որի վրա անիվը շարժվում է: Օրինակ՝ այն ավազով կամ աղով շաղ տալով։
