Трибология лыжных гонок

Содержание Введение. 1. История трибологии. 1.1. Доисторическая эпоха (до 3500 года до н.э.). 1.2. Ранняя цивилизация (после 3500 года до н.э ).
1.3. Греко-римская эпоха (900 г. до н.э. - 400 н.э.). 1.4. Средневековая эпоха (400 г. н.э. - 1450 г.). 1.6. Эпоха начала промышленной революции (1600-1750 гг.) 1.7. Период технической революции (1750-1850 гг.). 1.8. 75 лет технического прогресса (1850-1925 гг.). 1.9. Эпоха трибологии - с 1925 года по настоящее время. 2. Виды трения. 2.1 Сухое трение и трение покоя. 2.2. Граничное трение. 2.3. Износ. 2.4. Жидкостное трение. 2.5. Трение качения. 3. Лыжи и трение. 3.1 Характеристики снега. 3.1.1. Очень холодный снег. 3.1.2. Холодный и "средний" снег. 3.1.3. "Нулевой" снег. 3.1.4. Выше нуля 3.1.5. Грязь. 3.1.6. Укатка лыжни и "старение" 3.1.7. Типы снега. 3.2. Как работает мазь держания. 3.2. Как работает мазь скольжения. 3.2.1. Упругость кристалла. 3.2.2. Контролируемое трение. 3.2.3. Поверхностное натяжение. 3.2.4. Сухая смазка и добавки. 3.2.5. Отталкивание грязи. 3.3. Подготовка лыж. 3.3.1. Инструменты 3.3.2. Этапы подготовки лыж. 3.4. ТЕСТИРОВАНИЕ ЛЫЖ И СКОЛЬЖЕНИЯ. 3.4.1. Радары скорости. 3.4.2. Тест на длину выката. 3.4.3. Тест на "соревновательное" скольжение. 3.4.4. Субъективное тестирование. 3.4.5. Простые варианты тестов. 3.4.6. Передовые методы тестирования скольжения 3.4.7. Другие методы 4. Экспериментальное изучение коэффициента трения. 4.1. Физические основы теста на длину выката. 4.2. Методика проведения опытов. 4.3. План эксперимента и полученные результаты. 4.3.1. Условия проведения опытов. 4.3.2. Первая серия опытов. 4.3.3. Вторая серия опытов. Заключение Использованные источники. Введение. Лыжи — одно из самых древних и самых остроумных изобретений человека. Катание на них — это совершенно особое удовольствие, причем для каждого оно свое — кто-то неспешно бродит на них по заснеженному лесу, кто-то любит их за азарт, проявляющийся во время гонок по отполированной лыжне, кому-то нет покоя до тех пор, пока не появится возможность пронестись с захватывающей дух высоты горы вниз, а кого-то хлебом не корми — дай попрыгать с трамплина. Это, казалось бы, совсем нехитрое приспособление, с течением времени совершенствуясь, все более и более, сегодня стало продуктом новейших технологий. И, прежде всего потому, что в определенное время лыжи стали популярнейшим спортивным «снарядом», с помощью которого можно было доказать, что человек, виртуозно владеющий ими, способен достигать самых немыслимых рекордов. Шутка ли сказать, что, встав на лыжи последнего образца и предварительно облачившись в аэродинамический костюм, лыжник может спуститься с горы, развив скорость, равную 248 км/час! Изначально лыжи были деревянные, изготавливались из цельных досок и не блистали внешним видом. С началом развития лыжного спорта и технической революции на рубеже XIX — XX веков лыжи видоизменились. Помимо изменения пропорций, они стали изготавливаться из нескольких частей, для их изготовления стали применяться станки, появились лыжные фабрики. Это положение вещей сохранялось до появления пластических материалов, или пластика. Некоторые пластические материалы обладают свойствами, полезными для лыж — не намокают, к ним не прилипает снег, лучше скольжение. Так появились сначала лыжи с пластиковым покрытием, потом целиком пластиковые лыжи. В настоящее время внутренне устройство лыж может быть весьма сложным — индустрия спорта и производства спортинвентаря вкладывает большие деньги в научные исследования. В современных лыжах применяются различные виды пластика, древесины, композитных материалов, сплавов. Занятия лыжным спортом, так же как лыжные прогулки и походы, невозможно представить без лыжных смазок. В настоящее время ведущие фирмы выпускают большое количество различных мазей и парафинов, что человеку, далекому от лыжного спорта, порой не просто разобраться, что к чему. Существует много критериев выбора смазки, но все старания ведутся к тому, чтобы снизить коэффициент силы трения. Смазчики (сервисмены) ведут непрерывную работу над увеличением длины выката. Они по два и более часа готовят одну пару лыж, а потом столько же их тестируют. Работа сервисменов в лыжных соревнованиях никогда не заканчивается. Я увлекаюсь лыжным спортом, регулярно смотрю этапы чемпионата мира и болею за российскую сборную по биатлону (особенно за ее ветерана, нашего земляка - Сергея Чепикова). Я взялся за эту исследовательскую работу, потому что мне было очень интересно узнать, почему у спортсменов одной сборной лыжи «катят» хорошо а у другой плохо. Существует множество факторов успеха в лыжных гонках и биатлоне: сами лыжи, палки, обмундирование, физическая выносливость, тренированность лыжника и многое другое. Но темой данного реферата является изучение трибологических свойств лыж и смазок, поскольку именно они, при прочих равных условиях, определяют результат гонки. Для этого были поставлены следующие цели: изучить основы трибологии, рассмотреть виды трений, понять взаимодействие лыж и снега и экспериментально определить как абсолютное значение коэффициента трения лыж о снег, так и относительную эффективность различных смазок скольжения в условиях сурового уральского климата (низких температур и высокой влажности воздуха).
1. История трибологии. Трение может быть полезным и вредным - эту аксиому человек освоил еще на заре цивилизации. Ведь два самых главных изобретения - колесо и добывание огня - связаны именно со стремлением уменьшить и увеличить эффекты трения. Однако понимание природы трения и законов, которым подчиняется это явление, возникло не так уж давно и, к сожалению или к счастью, еще далеко от совершенства. Трибология - это наука о трении и процессах, сопровождающих трение. Название этой научной дисциплины образовано из греческих слов «трибос» — трение и «логос» — наука. Трибология как научная дисциплина охватывает экспериментально-теоретические исследования физических (механических, электрических, магнитных, тепловых), химических, биологических и других явлений, связанных с трением. Применительно к лыжным гонкам трибология одна из главных наук, используемых при проектировании новых смазок и скользящей поверхности лыж. В историю изучения силы трения можно выделить несколько этапов, связанных с общим развитием человечества. 1.1. Доисторическая эпоха (до 3500 года до н.э.). Некоторые трибологические законы человек узнал и научился использовать очень давно. Человек палеолита, добывая огонь, использовал явление преобразования работы трения огнива, т. е. приспособления из кремния, дерева или железа, в теплоту, которая служила ему для разведения огня. Трибологические элементы в этой эпохе, также известной как "Каменный век", возможно, ограничивались примитивными полостями в камне и дереве.
Какие либо изобразительные (в виде рисунков) доказательства этого недоступны. Вероятно, битум использовался, чтобы избежать скрипа в движущихся контактах. Явления трения использовались также при перемещении тяжелых предметов, их транспортировали на санях, которые тянули люди или животные, преодолевая, таким образом, сопротивление трения скольжения. Оно требовало только 30—40 % силы, необходимой для переноски этих предметов.
1.2. Ранняя цивилизация (после 3500 года до н.э ). Существует несколько оставшихся изображений (рисунков) подшипников скольжения, датированных той эпохой. Например: Каменный карман для нижней оси двери храма (Ассирия, приблизительно 2500 лет до н.э.) (Рис.1.1). Рис.1.1 Транспортировка Египетского каменного колосса с использованием деревянных салазок, доказывающих первое применение смазочного материала в трибологических целях (Египет, примерно 2400 год до н.э.) (Рис.1.2). Рис.1.2 Расчет трения доказывает то, что между полозьями салазок и деревянными болванами была применена смазка. Существуют некоторые предположения относительно типа смазочного материала: вода, грязь, ил из Нила, в который добавили оливковое масло. Колеса, ободы которых ошипованы медными гвоздями для уменьшения износа (Рис.1.3). Рис.1.3 Винтовые зубчатые колеса в устройстве для обработки хлопка (Индия) (Рис.1.4). Рис.1.4 В Древнем Египте для снижения трения использовали круглые деревянные катки. За счет этого значительно снижалась сила, необходимая для перемещения тяжелых конструктивные элементов древних строений, поскольку трение скольжения заменялось трением качения. В некоторых случаях трущиеся элементы смазывались маслом для уменьшения сопротивления трения, потому что внешнее трение твердых тел заменялось внутренним трением жидкости. Накопленный опыт замены трения скольжения трением качения стал фундаментальным для эпохального изобретения, каким стало изобретение колеса. 1.3. Греко-римская эпоха (900 г. до н.э. - 400 н.э.). Эта эпоха характеризуется развитием в области радиальных подшипников и зубчатых передач, а также первых конструкций роликовых подшипников. Имеется несколько примеров, показывающих уровень развития узлов трения в то время: Деревянные диффференциальные передачи в знаменитой "указывающей на юг" колеснице (Китай, примерно 255 год до н.э.) (Рис.1.5). Рис.1.5 Железные кольца (втулки) в деревянных рамах, чтобы избежать трение железного вала по дереву и, как следствие, большего износа (Рис.1.6). Рис.1.6 Передача Архимеда со всеми элементами червячной передачи (3 век до н.э.). Роликовые подшипники для вращающихся платформ на Римских судах на озере Неми (примерно 50 год н.э.). Фрагменты упорного шарикоподшипника (бронзовые шары перекатывались по деревянной платформе) (Рис.1.7). Рис.1.7 Фрагменты упорного подшипника с коническими (суживающиеся к концу) роликами (деревянные ролики по деревянной платформе) (Рис.1.8). Рис.1.8 Все применявшиеся тогда методы сводились к усовершенствованию конструкции подшипников скольжения и снижению сопротивления трения скольжения. Подшипники скольжения смазывались. Совершенствовались смазывающие свойства масел путем установления такой консистенции и адгезии, чтобы смазочный материал долгое время находился в зоне трения. Растительные масла имеют малую вязкость, и поэтому, стекая, они недолго смазывают зоны трения скольжения, кроме того, они быстро высыхают. В связи с этим их стали сгущать и постепенно заменять животными жирами. Существуют описания производства битума и легкого масла из сырой нефти. Для установки поршней в водяные насосы наносились тонкие масляные пленки для облегчения этого процесса Оси повозок смазывали также разного рода мазями из древесной смолы. Такие мази получали и из «выкипяченной» долгим нагреванием нефти. Это подтверждается результатами археологических исследований гробниц древних правителей, в которых на осях их колесниц найдены остатки смазки из животных жиров, сгущенных минеральными присадками. Температура плавления этих веществ около 50°С. В архивах имеется перечень растительных масел и животных жиров, использовавшихся для смазывания, составленный Плинием-старшим (23—73 гг. нашей эры). Известно, что при определенном сочетании материалов в узлах трения, трение и износ могут быть уменьшены. Также было известно, что применение масляных пленок уменьшает трение. 1.4. Средневековая эпоха (400 г. н.э. - 1450 г.). В течение этого долгого периода времени едва ли произошли какие-либо усовершенствования элементов машин. Эта эпоха может характеризоваться как период стагнации. Вероятно, можно заметить некоторые усовершенствования в выборе материалов. Несколько примеров: Валы размалывающих камней с зубчатыми передачами (мельница в Бокеле, примерно 1200 год) (Рис.1.9). Рис.1.9 Часовой механизм средневековых часов собора в Уэлсе с металлическими зубчатыми передачами и латунными радиальными подшипниками (1392 год) (Рис.1.10). Рис.1.10 1.5. Эпоха Возрождения (1450-1600). Это была эра Леонардо да Винчи, гениального художника, инженера, архитектора. Леонардо да Винчи (1452-1519), Рис.1.11 Талантливый человек во всем талантлив, но лишь немногие гении были гениальны во всем, что бы они ни делали, и, пожалуй, за всю историю человечества только один человек - Леонардо да Винчи заслуживает звания абсолютно универсального гения. Как художник, скульптор и инженер он превосходил своих современников. Как ученый он обогнал свою эпоху на века. Среди бесчисленных научных достижений и первая формулировка законов трения. Он ещё в 1519 утверждал, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна нагрузке (силе прижима), направлена против направления движения и не зависит от площади контакта. Эта эпоха характеризуется трудностями в реализации новых теоретических знаний на практике. Некоторые примеры такой ситуации: Примитивные радиальные подшипники в зубчатых передачах механизмов водяных насосов (примерно 1500 год) (Рис.1.12).
Рис.1.12 Но некоторый прогресс может быть отмечен: часовой механизм собора в Юберлингене (1549) (Рис.1.13). Рис.1.13
Новых смазочных материалов не создавалось, но Леонардо да Винчи обнаружил, что трение может быть уменьшено применением доступных растительных и животных масел. Сначала смазывание было разовым или периодическим, потом появились масляные ванны для смазывающие колец. Леонардо да Винчи занимался многими вопросами деталей машин, трения и износа. В процессе своих исследований он обнаружил, что существует соотношение между нагрузкой и силой трения. Он также определили первые законы сухого трения, суть которых в следующем: · Сила трения прямо пропорциональна нагрузке. · Сила трения не зависит от видимой (номинальной) площади контакта. · Сила трения не зависит от скорости скольжения. Применяя эти результаты он установил: · Преимущества качения перед скольжением. · Преимущества линейного/точечного контакта перед контактом по площади. · Преимущества обеспечения расстояния между телами качения в подшипниках качения. В его альбоме мы находим примеры: Упрощенной формы сепаратора роликового подшипника (Рис.1.14). Рис.1.14 Эскизы для упорных шариковых подшипников и роликовых подшипников с коническими телами качения. Эскиз зубчатой передачи для преобразования вертикального движения во вращательные (Рис.1.15). Рис.1.15 Вместе с практическими решениями, касающимися трения, появились первые научные работы по трибологии. Первые научные рассуждения на тему трения твердых тел обнаружены в записях Леонардо да Винчи, датируемых второй половиной XV в., в них много правильных утверждений, подкрепленных расчетами, например, указано на пропорциональность сопротивления трения нагрузке на трущиеся поверхности тел и на то, что тела с шероховатой поверхностью имеют большее сопротивление трения. Таким образом, закон, согласно которому сила трения прямо пропорциональна нагрузке был открыт Леонардо да Винчи, считавшим, что коэффициент трения обычно равен 0,25. Работы Леонардо да Винчи были забыты, и трением снова стали интересоваться в рамках развития других наук спустя почти два столетия. И. Ньютон сформулировал закон, определяющий зависимость между сопротивлением внутреннего трения жидкости и силой, необходимой для преодоления этого сопротивления. 1.6. Эпоха начала промышленной революции (1600-1750 гг.) Этот период охарактеризовался замечательными достижениями в конструировании подшипников и зубчатых передач. Примеры этого следующие: Определение эвольвенты зубчатого колеса и геометрических принципов зубчатых зацеплений Хьюгенсом (1665), де ла Найэром (1694) и Леопольдом. Механизм для открывания дверей с червячными передачами и коническими подшипниками (17 век) (Рис.1.16). Рис.1.16 Подшипники для станочного инструмента с разделенными регулируемыми подшипиковыми блоками для компенсации износа (Плюмис, 1701 год) (Рис.1.17). Рис.1.17 Однако все еще находили некоторое применение деревянные зубчатые передачи. Новые смазочные материалы не разрабатывались, однако применение известных становится все более важным. В китайских публикациях за 1637 год мы можем прочесть что "одна капля масла в подшипник делает повозку, а тысяча капель - корабль, готовым к эксплуатации". Многие исследователи осознали, что свиной жир (Амонтон, де ла Найар) и растительные масла могут использоваться как смазочные материалы. Все больше и больше ученых вовлекаются в разработку теорий трения и изнашивания. Вот некоторые примеры: · Роберт Хук (1680): Закономерности трения качения; · Исаак Ньютон (1687): определяет вязкость как меру внутреннего трения жидкостей: вязкость = напряжение сдвига / скорость света. · Гильом Амонтон (1699): подтвердил законы трения Леонардо да Винчи; · Леонард Эйлер (1750): аналитическое определение трения; обозначил коэффициент трения символом m. 1.7. Период технической революции (1750-1850 гг.). Опять этот период характеризуется улучшением в понимании функционирования элементов и деталей машин, что и привело к более совершенным их конструкциям, это эра Джеймса Ватта. Примеры зубчатых зацеплений: Зубчатые передачи для машины прокатки листового металла (1758) (Рис.1.18). Рис.1.18 Механизмы, сконструированные Джеймсом Ваттом (1781) (Рис.1.19). Рис.1.19 Примеры радиальных подшипников: Предложение конструкции радиальных подшипников для осей экипажа, сделанные Фелтоу (1794) (Рис.1.20). Рис.1.20 "Высокотехнологичный" подшипник колеса железнодорожного вагона (1830) (Рис.1.21). Рис.1.21 Примеры роликовых подшипников: Ранний вариант роликового подшипника флюгера зала Независимости в Филадельфии (1770) (Рис.1.22). Рис.1.22 Шарикоподшипник колеса с максимальным количеством шаров для увеличения несущей способности без внутреннего кольца и сепаратора (Патент Вогана, 1794) (Рис.1.23). Рис.1.23 В этот период для применения были доступны несколько видов животных, растительных и минеральных масел, также как и твердых смазочных материалов. Было выдано несколько патентов на смазочные композиции (формула смазочного материала). Примеры следующие: · 1812 год, Британский патент 3573 (Генри Томас Хардакр): Смесь графита и свиного жира (1:4) для получения пластичного смазочного материала; · 1835 год, Британский патент 6945 (Натаниэль Партридж): Смесь оливкового масла и извести, растворенная в воде. Для повышения эксплуатационных характеристик необходимо добавлять пальмовое масло, жир или графит; · 1848 год, Британский патент 12109 (Джозеф Джон Долан) :Состав смазочного материала с высокими эксплуатационными характеристиками Снова развитие фундаментальных основ науки о трении и изнашивании может быть охарактеризовано перечислением выдающихся ученых того времени и их достижений: · Шарль Августин Кулон (1785): подтверждение законов трения Л. Да Винчи и Амонтона. · Джордж Рени (1825): измерение трения и износа; первый список коэффициентов трения для различных материалов; зависимость износа от смазки.
· Шарль Хатчет (1803): зависимость износа от материала. · Клод Луи Навье (1822): определение и использование слова "вязкость". · Джордж Габриэль Стокс (1845): определение совместно с Навье уравнений движения, ставших позднее основой гидродинамической теории.
1.8. 75 лет технического прогресса (1850-1925 гг.). Тогда как все еще довольно примитивные конструкции применялись для подшипников и зубчатых передач, а также выбор материалов был очень простым, некоторые значительные усовершенствования могли быть отмечены: Смазываемый водой радиальный подшипник для буксы, сконструированный Артсом (1860) (Рис.1.24). Рис.1.24 Роликовый подшипник, сконструированный Вингквистом, основателем СКФ. Шарикоподшипник с саморегулируемым угловым контактом (Рис.1.25). Рис.1.25 Зубчатая передача для первого электрического локомотива, сконструированная Сименсом (1879) (Рис.1.26). Рис.1.26 Ведущая шестерня главной передачи для автомобиля (1902) (Рис.1.27). Рис.1.27 В области смазочных материалов были сделаны следующие достижения: Растительные и животные масла интенсивно вытеснялись минеральными маслами. Наиболее характерными для практического применения были следующие смазочные масла, полученные дистилляцией (перегонкой) и очисткой (1916): легкое и тяжелое веретённое масло; компрессорное масло; легкие и тяжелые машинные масла; очищенные цилиндровые масла. Первые присадки в масло: диспергированный графит, эмульгаторы; компоненты, повышающие вязкость. Известные ученые, инженеры и трибологи исследовали соотношение между трением, износом и смазкой, особенно применительно к радиальным подшипникам. Наиболее важное открытие было сделано Б. Тауэром в 1885 г., который обнаружил развитие гидродинамического давления в радиальных подшипниках. Это открытие привело к успехам в конструировании и эксплуатации подшипников. Вот ряд знаменитых имен: · Густав Адольф Гирн (примерно 1880 год): подтвердил законы трения Л. да Винчи, Амонтона и Кулона. · Генрих Рудольф Гер (1881): физические законы трения качения. · Бишам Тауэр (1883): определил развитие гидродинамического давления в радиальных подшипниках. Интеграл гидродинамического давления в окружном и осевом направлении равен средней нагрузке подшипника. · Николай Павлович Петров (1883): законы трения концентрических радиальных подшипников. · Осборн Рейнольдс (1885): математическая разработка гидродинамических эффектов. Уравнение Рейнольдса для гидродинамического давления - основа для расчета подшипников. · Ричард Штрибек (1902): измерение трения / подтвердил наличие гидродинамических эффектов. Кривая Штрибека: соотношение между трением, нагрузкой, скоростью и вязкостью. · Йоаганн Вильгельм Зоммерфельд (1904): предложил аналитическое решение уравнения Рейнольдса. Ввел число Зоммерфельда. 1.9. Эпоха трибологии - с 1925 года по настоящее время. Этот период времени будет освещен очень кратко. Если попытаться оценить все важнейшие достижения за этот период времени, то объем материала выйдет за рамки, отведенные под исторический анализ развития науки о трении и изнашивании. Особенно внушительны достижения в области машиностроения (конструирование узлов трения) и они требуют отдельной главы или статьи. Подшипники и зубчатые передачи получили дальнейшее развитие путем внедрения теоретических разработок в практику. Этот процесс происходил на основе оптимизации узлов трения, выбора материалов, обработки поверхностей и смазки. Как следствие, возросли ресурс и межремонтные периоды эксплуатации механизмов и оборудования. Для этого периода характерны следующие особенности: · Разработка и применение присадок; · Улучшение базовых масел минеральной природы с помощью новых производственных технологий; · Распространение (появление) синтетических базовых масел. · Создание смазочных материалов с высокими техническими характеристиками для эксплуатации в условиях высоких и низких температур, высоких нагрузок. Необходимо выделить четыре основных момента для характеристики этого аспекта трибологии: Приближенные решения уравнения Рейнольдса (например, Мишель Освирк Ду Бойс, Кингсбери, Камерон, Сасенфельд/Вальтер). Применение этого решения к узлам трения, работающим в условиях гидродинамической смазки. Гидродинамические подшипники превратились в рассчитываемые узлы машин. Эластогидродинамическое решение уравнения Рейнольдса (например, Дункан Доусон совместно с Хигинсоном). Применение эластогидродинамического решения для расчета тяжелонагруженных смазываемых контактов. В настоящее время трибология признана всеми. Как отдельный предмет она преподается во многих высших и средних учебных заведениях и на курсах повышения квалификации. Созданы специализированные исследовательские центры, во многих институтах прибологические проблемы являются одним из важнейших направлений исследований. Выпущено большое количество книг по трибологии и триботехнике, выходят специализированные периодические издания. Во многих странах действуют научные трибологические общества. Организуются национальные и международные конгрессы, конференции и симпозиумы. Огромное значение трибологии и триботехники способствует быстрому их развитию, обучению трибологов всех уровней, росту количества публикаций и созданию исследовательских трибологических центров.
2. Виды трения. С трением мы сталкиваемся на каждом шагу. Вернее было бы сказать, что без трения мы и шагу ступить не можем. Но, несмотря на ту большую роль, которую играет трение в нашей жизни, до сих пор не создана достаточно полная картина возникновения трения, и вопрос этот остается неясным. Это связано даже не с тем, что трение имеет сложную природу, а скорее с тем, что опыты с трением очень чувствительны к обработке поверхности и поэтому трудно воспроизводимы. Вот пример. Английский физик Гарди исследовал зависимость силы трения между стеклянными пластинками от температуры. Он тщательно обрабатывал пластинки хлорной известью и обмывал их водой, удаляя жиры и загрязнения. Трение увеличивалось с температурой. Опыт был повторен много раз, и каждый раз получались примерно одни и те же результаты. Но однажды, промывая пластинки, Гарди протер их пальцами. Трение перестало зависеть от температуры. Протерев пластинки, Гарди, как он сам считает, удалил с них очень тонкий слой стекла, изменивший свои свойства из-за взаимодействия с хлоркой и водой. Когда говорят о трении, возникающем при соприкосновении поверхностей твердых тел, выделяют три вида сопротивления по взаимному перемещению тел:
· сопротивление, которое может возникнуть, когда тела неподвижны друг относительности друга – трение покоя; · сопротивление, возникающее, когда одно тело скользит по поверхности другого, - трение скольжения. · сопротивление, возникающее, когда одно тело катится по поверхности другого - трение качения.
При этом различают три несколько отличных физических явления: · сухое трение - возникает при соприкосновении поверхностей двух очищенных и высушенных твердых тел, находящихся в естественном контакте друг с другом. Под «естественным контактом» понимается непосредственное и тесное соприкосновение тел, возможное при минимальной загрязненности их поверхностей; · граничное трение – проявляется, как и в случае сухого трения с тем отличием, что на поверхность контакта наносят тонкую пленку чистого смазочного материала; · жидкостное трение – возникает, когда движущиеся поверхности полностью разделены толстой пленкой смазки и непосредственный контакт элементов пары отсутствует. 2.1 Сухое трение и трение покоя. Первые исследования трения, о которых мы знаем, были проведены Леонардо да Винчи примерно 450 лет назад. Он измерял силу трения, действующую на деревянные параллелепипеды, скользящие по доске, причем, ставя бруски на разные грани, определял зависимость силы трения от площади опоры. Но работы Леонардо да Винчи не были опубликованы. Они стали известны уже после того, как классические законы трения были в 17-18 в.в. вновь открыты французскими учеными Амонтоном и Кулоном. Вот эти законы: сила трения F прямо пропорциональна силе N нормального давления тела на поверхность, по которой движется тело: F=mN, где m - безразмерный коэффициент, называемый коэффициентом трения; сила трения не зависит от площади контакта между поверхностями; коэффициент трения зависит от свойств трущихся поверхностей; сила трения не зависит от скорости движения тела. Триста лет исследований трения подтвердили правильность трех первых законов, предложенных Амонтоном и Кулоном. Неверным оказался лишь последний - четвертый. Но это стало ясно много позже, когда появились железные дороги и машинисты заметили, что при торможении состав ведет себя не так, как предсказывали инженеры. Амонтон и Кулон объясняли происхождение трения довольно просто. Обе поверхности неровные, они покрыты небольшими горбами и впадинами. При движении выступы цепляются друг за друга, и поэтому тело все время поднимается и опускается. Для того чтобы втащить тело на "холмы", к нему нужно приложить определенную силу. Если выступы большие, то и сила нужна побольше. Но это объяснение противоречит одному очень существенному явлению: на трение тратится энергия. Кубик, скользящий по горизонтальной поверхности, останавливается. Его энергия расходуется на трение. А поднимаясь и опускаясь, тело не тратит своей энергии. Вспомните аттракцион "американские горы". Когда санки скатываются с горки, их потенциальная энергия переходит в кинетическую, и скорость санок возрастает, а когда санки въезжают на новую возвышенность, кинетическая энергия, наоборот, переходит в потенциальную. Энергия санок уменьшается за счет трения, но не из-за подъемов и спусков. Аналогично обстоит дело и при движении одного тела по поверхности другого. Здесь потери энергии на трение также не могут быть связаны с тем, что выступы одного тела взбираются на бугры другого. Есть еще возражения. Например, простые опыты по измерению силы трения между полированными стеклянными пластинками показали, что при улучшении полировки поверхностей сила трения сначала не меняется, а затем возрастает, а не убывает, как следовало бы ожидать на основании модели явления, предложенной Амонтоном и Кулоном. Механизм трения значительно более сложен. Из-за неровностей поверхностей они соприкасаются только в отдельных точках на вершинах выступов. Здесь молекулы соприкасающихся тел подходят на расстояния, соизмеримые с расстоянием между молекулами в самих телах, и сцепляются. Образуется прочная связь, которая рвется при нажиме на тело. При движении тела связи постоянно возникают и рвутся. При этом возникают колебания молекул. На эти колебания и тратится энергия. Площадь действительного контакта составляет обычно от одного до двух тысяч квадратных микронов. Она практически не зависит от размеров тела и определяется природой поверхностей, их обработкой, температурой и силой нормального давления. Если на тело надавить, то выступы сминаются, и площадь действительного контакта увеличивается. Увеличивается и сила трения. При значительной шероховатости поверхностей большую роль в увеличении силы трения начинает играть механическое зацепление между "холмами". Они при движении сминаются, и при этом тоже возникают колебания молекул. Рассмотренная нами модель трения довольно груба. Мы не останавливались здесь на диффузии молекул, то есть на проникновении молекул одного тела в другое, на роли электрических зарядов, возникающих на соприкасающихся поверхностях, на роли и механизме действия смазки. Эти вопросы во многом неясны, а объяснения спорны. Можно только удивляться тому, что при такой сложности трение описывается столь простым законом: F = mN. И хотя коэффициент трения m не очень постоянен и несколько меняется от одной точки поверхности к другой, для многих поверхностей, с которыми мы часто сталкиваемся в технике, можно делать достаточно хорошие оценки ожидаемой силы трения. Абсолютные значения коэффициентов трения для различных трибологических пар приведены на Рис. 2.1 Рис. 2.1 Сухое трение имеет одну существенную особенность: трение покоя. Если в жидкости или газе трение возникает только при движении тела и тело можно сдвинуть, приложив к нему даже очень маленькую силу, то при сухом трении тело начинает двигаться только тогда, когда проекция приложенной к нему силы F на плоскость касательную к поверхности, на которой лежит тело, станет больше некоторой величины. Пока тело не начало скользить, действующая на него сила трения равна касательной составляющей приложенной силы и направлена в противоположную сторону. При увеличении приложенной силы сила трения тоже возрастает, пока не достигает максимальной величины, равной mN, при которой начинается скольжение. Дальше сила трения уже не меняется. Остановимся теперь на последнем законе Амонтона - Кулона: сила трения не зависит от скорости тела. Это не совсем так. Вопрос о зависимости силы трения от скорости имеет очень важное практическое значение. И хотя эксперименты здесь имеют много специфических трудностей, они окупаются использованием полученных сведений, например, в теории резания металлов, в расчетах движения пуль и снарядов в стволе и т. д. Обычно считают, что для того, чтобы сдвинуть тело с места, к нему нужно приложить большую силу, чем для того, чтобы тащить тело. В большинстве случаев это связано с загрязнениями поверхностей трущихся тел. Например, для чистых металлов такого скачка силы трения не наблюдается. Опыты с движением пули в стволе показали, что с увеличением скорости пули величина силы трения сначала быстро убывает, затем она уменьшается все медленнее, а при скоростях, больших 100 м/сек, начинает возрастать. График зависимости силы трения от скорости показан на Рис. 2.2.
Рис. 2.2 Грубо это можно объяснить тем, что в месте контакта выделяется много тепла. При скоростях порядка 100 м/сек температура в месте контакта может достигать нескольких тысяч градусов, и между поверхностями образуется слой расплавленного металла. Трение становится жидким. При больших же скоростях жидкое трение пропорционально квадрату скорости.
Интересно, что примерно такую же зависимость от скорости имеет сила трения смычка о струну. Именно поэтому мы можем слушать игру на смычковых инструментах - скрипке, виолончели, альте. При равномерном движении смычка струна увлекается им и натягивается. Вместе с натяжением струны увеличивается сила трения между смычком и струной. Когда величина силы трения становится максимально возможной, струна начинает проскальзывать относительно смычка. Если бы сила трения не зависела от относительной скорости смычка и струны, то, очевидно, отклонение струны от положения равновесия не изменялось бы. Сила трения смычка о струну. Рис. 2.3 Но при проскальзывании трение уменьшается. Поэтому струна начинает двигаться к положению равновесия. При этом относительная скорость струны увеличивается, а это еще уменьшает силу трения. Когда же струна, совершив колебание, движется в обратном направлении, ее скорость относительно смычка уменьшается, и смычок опять захватывает струну. Все повторяется. Так возбуждаются колебания струны. Эти колебания незатухающие, так как энергия, потерянная струной при ее движении, каждый раз восполняется работой силы трения, подтягивающей струну до положения, при котором струна срывается. 2.2. Граничное трение. Образец для исследования граничного трения подготавливается так же, как и в случае сухого трения. Однако после очистки и сушки на его поверхность наносят тонкую пленку чистого смазочного материала (см. Рис. 2.3) известной молекулярной структуры с известными физико-химическими свойствами. Самой тонкой пленкой применительно к смазке является пленка толщиной в одну молекулу. Поэтому лабораторные исследования граничного трения обычно проводятся с телами, трущиеся поверхности которых покрыты мономолекулярным слоем смазки. Толщина пленки определяется в первую очередь общей формой поверхности и ее шероховатостью. Даже самые совершенные из существующих методов механическойобработки не дают абсолютно ровной и гладкой поверхности. На практике вес образца, лежащего на плоскости, не распределяется равномерно по всей площади основания образца, а передается и воспринимается многочисленными отдельными микровыступами, имеющимися на обеих поверхностях. Как показал эксперимент, истинная площадь контакта может быть в тысячу раз меньше площади основания образца. Очевидно, что смазочная пленка (между исследуемым образцом и плоскостью), толщина которой несколько больше максимальной высоты выступов, будет полностью разделять две трущиеся поверхности. В случае поверхностей, обработанных по высшему классу чистоты, это условие выполняется при толщине пленки порядка 50–70 мкм, и тогда контактная пара ведет себя в соответствии с законами гидродинамики. Однако в режиме граничного трения смазочная пленка слишком тонка, чтобы она могла обеспечить полное разделение трущихся поверхностей. Самые высокие выступы обеих поверхностей при движении задевают друг за друга. При этом локальное контактное давление может быть столь большим, что возможна деформация материала. Интенсивность выделения энергии на микроучастках деформации нередко бывает такой, что происходят высокотемпературные вспышки частиц материала. 2.3. Износ. В режиме сухого или граничного трения противолежащие выступы контактирующих поверхностей трутся друг о друга и изнашиваются. По степени и характеру фрикционный износ может варьироваться в широких пределах от желательного (специальная операция тонкого полирования – притирки – в контролируемых условиях) до истирания, заедания и разрушения. Если пока не учитывать влияния химического состава смазочного материала, то можно представить себе несколько упрощенный механизм износа контактной пары, работающей в условиях граничного трения. В точках локального контакта возникают напряжения сдвига, превышающие предел упругости, а температура материала повышается. Происходит срыв материала с верхушек выступов, а из-за своей ограниченной подвижности соседние молекулы смазки не успевают закрыть обнажившиеся участки контактной поверхности; они остаются чистыми и химически активными. В результате образуются и при дальнейшем движении тут же разрушаются многочисленные мостики микросварки двух соприкасающихся поверхностей. При этом механическая энергия движения преобразуется в тепловую с повышением температуры поверхности. Разрыв мостиков микросварки дополнительно приводит к локальному резкому и значительному повышению температуры. В результате начинается химическое разложение смазки с образованием окислов, карбидов и смолистых отложений и медленно, но неуклонно снижается качество смазки. Ухудшение состояния поверхностей трения ускоряется из-за абразивного действия множества оторвавшихся частичек материала контактной пары. Все эти эффекты приводят к общему усилению трения, увеличению энергетических затрат и интенсификации износа. Очевидно, что работа машин и механизмов в условиях граничного трения крайне нежелательна по двум причинам: из-за потерь энергии и из-за риска отказа трущихся элементов вследствие неизбежного их изнашивания. Для эффективной работы системы (с небольшим трением и без износа) необходимо, чтобы трущиеся элементы были всегда и полностью разделены слоем смазки при их движении и полностью разделены в период отсутствия движения. Первое из этих требований выполняется путем оптимизации проектирования. При вращении шипа (шейки вала) в подшипнике в условиях жидкостного трения за счет внутреннего давления жидкости автоматически поддерживается такая толщина пленки смазочного материала, при которой поверхности кинематической пары, пока она работает, не могут прийти в прямое соприкосновение. Когда же машина останавливается, гидравлический подпор шейки вала в подшипнике прекращается, и толщина пленки смазки под шейкой уменьшается вследствие ее выдавливания силой тяжести вала. Само по себе это не страшно, но при последующем включении машины проходит некоторое время, пока не установится режим жидкостного трения. В этот начальный период подшипник работает в условиях граничного трения. В тяжелом механическом оборудовании некоторых типов предусматривается подача смазки в подшипник под давлением через отверстия и по канавкам в области контакта, благодаря чему перед пуском создается достаточно толстая, полностью защищающая поверхности контакта смазочная пленка. 2.4. Жидкостное трение. О режиме жидкостного трения можно говорить, когда движущиеся поверхности полностью разделены толстой пленкой смазки и непосредственный контакт элементов пары отсутствует Трение в этом случае сводится к вязкостному сопротивлению в самом слое смазки, обусловленному сдвигом соседних слоев пленки, т.е. к внутреннему трению. Пока такая жидкая пленка цела, материал движущихся поверхностей и их шероховатость не имеют значения. От жидкой пленки требуется, чтобы она прилипала к движущимся поверхностям, т.е. чтобы не было проскальзывания смазки относительно поверхностей.
Рис. 2.4 Случаи жидкостного и граничного трения сопоставляются на рис. 2.4, где A – движущаяся поверхность, B – неподвижная поверхность, а C – пленка. Шероховатость поверхностей для наглядности сильно преувеличена. В условиях граничного трения (рис. 2.4 ,а) некоторые выступы соприкасаются друг с другом. В случае же жидкостного трения (рис. 2.4,б) движущиеся части полностью разделены достаточно толстой пленкой смазки.
2.5. Трение качения. Если рассматриваемое тело имеет форму цилиндрического катка и под действием активных сил может катиться по поверхности другого тела (см. Рис. 2.5) , то из-за деформации поверхностей этих тел в месте их соприкосновения возникают силы реакции, препятствующие как скольжению, так и качению катка. Примерами таких катков являются различные колеса, например, колеса локомотивов, электровозов, вагонов, автомашин и т.д. Во время изучения силы трения качения были установлены следующие законы: максимальный момент пары сил, препятствующий качению, в широких пределах не зависит от радиуса катка. максимальный момент сопротивления качению про­порционален силе нормального давления катка на опорную плоскость и дос­тигается в момент выхода катка из положения равновесия коэффициент трения качения зависит от материала катка, опорной плоскости, а также от физического состояния их поверхностей. Рис. 2.5 Коэффициент трения качения при качении можно считать не зависящим от угловой скорости качения катка и его скорости скольжения по плоскости. Законы трения качения, как и законы трения скольжения, справедливы для не очень больших давлений и не слишком легко деформируемых материалов катка и плоскости. Для начала качения требуется значительно меньшая сила, чем для начала скольжения тела одинакового веса по горизонтальной плоскости. С точки зрения затрат энергии выгодно заменять скольжение качением. Изобретение колеса примерно 5000 лет назад явилось огромным достижением человечества по пути борьбы с трением. Так как наш работа посвящена лыжным гонкам, мы не стали раскрывать трение качения так же подробно как трение скольжения.
3. Лыжи и трение. Занятия лыжным спортом, так же как лыжные прогулки и походы, невозможно представить без лыжных смазок. В настоящее время ведущие фирмы выпускают такое количество различных мазей и парафинов, что человеку, далекому от лыжного спорта, порой не просто разобраться, что к чему. Что делать с таким количеством смазки и как этим пользоваться? Для того чтобы понять, в чем смысл мазей нужно иметь элементарное представление о снеге. 3.1 Характеристики снега. Содержание воды, грязи, температура снега и воздуха, размер и форма кристаллов - это наиболее важные характеристики снега, учитываемые при подготовке лыж. Снег различается по твер­дости, размеру кристалла и упругости. Именно эти различия и будут, в конечном итоге, обуславливать наш выбор мази и под­готовки скользящей поверхности. Некоторые виды снега, особенно при температуре в пределах -1°C - -7°С, не создают серьезных проблем со скольжением или держанием. Иметь же дело с другими видами снега, такими как, например, очень холодный снег, мокрый снег и снег около 0°С, намного сложнее. Бывает и такой снег, на котором очень сложно сохранить скольжение на дистанции, превышающей несколько километров. Особенно это относится к грязному снегу. Вследст­вие растущего промышленного загрязнения, где бы мы ни катались, мы все чаще и чаще сталкиваемся с грязным снегом, и поэтому при выборе мази важным фактором является грязеустойчивость. Рассмотрим различные типы снега, начав с самого холодного. 3.1.1. Очень холодный снег. В самом низу температурного диапазона находиться очень холодный снег, который представляет особые трудности для по­лучения хорошего скольжения. Как правило, для холодного снега характерны колючие остроконечные кристаллы, которые к тому же, вследствие холода, очень жесткие. Эти острые кристаллы врезаются в мазь на скользящей поверхности, как гравий а по­крышку автомобиля, и таким образом препятствуют скольжению. Кроме того, они обладают высокими абразивными свойствами, что приводит к быстрому истиранию мази. По этим причинам для очень холодного снега необходимы гладкая скользящая поверх­ность и очень твердая мазь. При холодном снеге очень легко добиться хорошего держания, однако, как и в случае со смазкой лыж для скольжения, найти держащую мазь, которая бы сколь­зила и была бы "комфортной", может оказаться не так-то просто. 3.1.2. Холодный и "средний" снег. Для холодного и среднетемпературного снега достаточно лег­ко подготовить лыжи. Кристаллы не такие острые, как при очень холодном снеге, и поэтому они не так глубоко проникают в мазь и не так сильно тормозят лыжи; структура кристаллов уже не такая жесткая, они становятся чуточку эластичнее. Оба этих фактора означают, что такой вид снега создает меньше трения. Кроме того, в таком снеге содержание воды, как правило, не достаточно для того, чтобы привести к проблемам с подсасыванием. Прак­тически вес смазочные компании выпускают мази, которые хо­рошо работают от - 1°С до -7°С или 8°С. 3.1.3. "Нулевой" снег. Снег около 0°С таит в себе целый ряд трудностей. Обычно присутствует большое количество воды, и в то же время очень близка точка замерзания. Таким образом, проблема заключается как в подсасывании, так и в возможном обледенении. Современ­ные мази скольжения (фторуглероды) показывают свои лучшие качества в этом температурном диапазоне, а новые держащие мази, многие из которых содержат фторуглероды, работают в этих условиях намного эффективнее прежних. "Механическое" держание также является одним из возможных решений ("рыбья чешуя", ворс и т.д.). 3.1.4. Выше нуля Температуры выше точки замерзания (естественно, речь идет о температуре воздуха: снег не может быть выше 0°С, иначе он, собственно, перестает быть снегом) означают три вещи: Вероятно, будет присутствовать большое количество во­ды. Торможение подсасыванием, вызванное избытком воды, может быть минимизировано за счет активной структуры скользящей поверхности и применения фторуглеродов (далее "фторы") или "фторпарафинов" с целью уменьшения поверхностного натяжения. "Фторпарафнины'' - это мази с большей или меньшей концентрацией в них фторуглеродов, как противоположность "чистым" фторам, которые выпускаются в виде порошков или твер­дых брикетов В процессе таяния и замерзания кристаллы снега будут трансформироваться в более крупную и округлую струк­туру. Чем округлее становится кристалл, тем мягче тре­буется мазь - как для держания (клистеры), так и для скольжения. Это необходимо для того, чтобы более округлый кристалл мог проникнуть в мазь. Вероятно, вместе с таянием снега будет расти его заг­рязненность.
Помимо температуры снега и содержания в нем воды есть еще два фактора, которые сильно влияют на работу лыж и мази: грязь и "укатка" лыжни. 3.1.5. Грязь. Вследствие всевозрастающего промышленного заг­рязнения содержание грязи в снеге с каждым днем становится все больше и больше. Кроме того, по мере таяния снега, вся грязь, уже содержащаяся в нем, собирается на оставшемся снеге.
Грязь приводит к истиранию мази и, внедряясь в нее, уси­ливает трение. В свою очередь, это приводит к подсасыванию воды загрязненной структурой. Держащие мази набирают грязь и создают торможение с невероятной быстротой, перемешиваясь с грязью до образования твердого поверхностного слоя. В таких условиях снегу очень трудно сцепиться с мазью. Если мягкие мази по своей твердости лучше всего подходят к размеру кристалла при влажной теплой погоде, то более твердые мази, скорее всего, будут лучше противостоять грязи. Мягкие мази скольжения, иногда содержащие силикон или тефлон, очень хорошо работают на коротких дистанциях, тем не менее чистые фторы все же чаще будут давать преимущество в таких погодных условиях, особенно на длинных дистанциях, благодаря своей способности отталкивать грязь. По тем же причинам, многие производители выпускают для влажного снега фторированные держащие мази и клистеры: меньше трения, по­вышенная сопротивляемость грязи. 3.1.6. Укатка лыжни и "старение" Свежевыпавший снег имеет самые острие кристаллы. Укатка "старит" снег и лишает его остроты, она также перемешивает его, создавая более одно­родные условия по всей лыжне. Как же происходит процесс "старения"? Во время укатки снег ударяется обо все, что попадается ему на пути, и кончики крис­таллов отламываются. Кроме того, укатка "спекает" снег, выводя из него воздух и позволяя ему еще больше уплотниться. Удары снега также вызывают кратковременное периферийное таяние, которое, в свою очередь, может вести либо к округлению кристаллов, либо к их смерзанию, что делает снег менее агрес­сивным, более твердым и более однородным по всей лыжне. Поскольку укатанный снег более "округлый", то, как для дер­жания, так и для скольжения, может потребоваться более мягкая мазь. Однако имейте также в виду, что поскольку укатанный снег тверже, по причине спекания и таяния/замерзания, он может быть более абразивным. 3.1.7. Типы снега. Для выбора парафинов и мазей важен вид кристаллов снега. Падающий или свежевыпавший снег - наиболее критичная ситуация для смазки лыж. Острые кристаллы свежевыпавшего снега требуют парафина или мази, которые не допускают кристаллы внутрь слоя смазки. При положительных температурах воздуха, когда насыщенность снега водой все время возрастает, требуются водоотталкивающие мази. Кроме того, в зависимости от зернистости снега необходима накатка более крупных или мелких желобков на скользящую поверхность: Мелкозернистый снег, острые кристаллы требуют накатки узких, более мелких желобков. Более старый, лежалый снег при средних зимних температурах требует накатки средних желобков. Вода и большие, круглые снежные кристаллы требуют накатки крупных желобков. Свежевыпавший снег - падающий и свежевыпавший снег, характеризующийся относительно острыми кристаллами и требующий твердой мази. Подмерзший зернистый снег, если влажный снег подмораживается, то получаем снег, характеризующийся крупнозернистостью с частицами замерзшей воды, требуется применения клистера в качестве грунта. Теперь глубже взглянем на теорию смазки лыж: какую функцию выполняют мази, почему они работают, а также почему, иногда, они не работают? 3.2. Как работает мазь держания. Вокруг мази скольжения всегда ведется много разговоров. Однако не нужно забывать, что обычно в ходе соревнований, на тренировке и даже на прогулке большую часть времени (до 70 процентов) мы затрачиваем на подъемы. При коньковом ходе преодолению подъемов определенно способствует хорошее скольжение, которое мы можем получить, используя подходящую мазь скольжения. Когда же дело доходит до классического хода, на мой взгляд, мы слишком много беспокоимся не о тех вещах, и забываем о самом важном, от чего зависит результативность тренировки и удовольствие от катания - о держащей мази (см. Рис. 3.1, 3.2). Рис. 3.1 Задача держащей мази - дать возможность кристаллам снега более глубоко проникнуть в мазь, чем в случае с мазью скольжения. Это проникновение "пригвождает" лыжи к снегу, уберегая лыжника от проскальзывания и позволяя ему продвигаться вперед. Здесь будет уместной аналогия с ботинком на резиновой подошве, который находится на ложе из гвоздей. Рис. 3.2 Эта простая картина усложняется тем фактом, что под меньшим давлением, как только заканчивается отталкивание и начинается скольжение, держащая мазь должна быть в состоянии еще и скользить. Скольжение усиливается механическим путем, а именно за счет прогиба лыжи, который приподнимает держащую мазь над снегом во время скольжения. Жесткость лыжи, длина колодки, вес и сила конкретного лыжника также влияют на скольжение. Тип снега и его состояние определяют, какую держащую мазь мы будем использовать. Поэтому коротко рассмотрим то, как различные типы снега влияют на выбор мази для классического хода. Тип снега Новый, жесткий, остроконечный снег требует жесткой мази, такой как зеленая. Укатанный снег, который стал мягче, грубее и плотнее, требует более мягкой мази - скажем, фиолетовой. Трансформированный снег, который подтаял и вновь смерзся в более крупные и округлые крупинки, требует еще более мягкой мази, позволяющей проникать в себя широким "кончикам" кристаллов. Когда эти кончики очень широкие, как у льда или снежной каши, требуется действительно мягкий клистер. Обледенение Картина еще больше усложняется тем, что держащие мази могут "подмерзать" и скалываться, если используются при температурах ниже своего рабочего диапазона - то есть, если кристаллы слишком глубоко проникают в мазь. То же самое может произойти, когда на лыжне присутствует вода, но температура при этом ниже точки замерзания, а также в снегопад при температуре чуть ниже 0°С. Результатом в любом случае будет то, что у лыжника либо совсем не будет держания, либо он потащит на своих лыжах несколько килограммов снега и не сможет скользить. Поскольку при температуре около точки замерзания, подчас неясно, что лучше - клистер или твердая мазь, а также поскольку при такой температуре, вероятно, будет присутствовать вода, то выбор мази в таких условиях может стать кошмаром. (На самом деле попасть в нужную мазь для скольжения при 0°С столь же трудно, но поскольку результат ошибки менее зрелищен, то вся слава достается смазке лыж для держания). Тем не менее, разрабатываются новые держащие мази, которые достаточно эффективны в "нулевых" условиях. Некоторые универсальные, или всепогодные, мази хорошо работают в широком диапазоне условий, как и ряд новых фторированных держащих мазей.
Полезное эмпирическое правило, гласит: избегайте применения клистера, если в нем нет острой необходимости. Это правило поможет избежать проблем с "подмерзанием", и ваши лыжи зачастую будут ехать быстрее. И снова грязь Держащие мази по причине своей относительной мягкости, а также вследствие того, что в момент отталкивания ногой они останавливаются и прижимаются к снегу, собирают большое количество грязи (на участках с явными признаками грязи старайтесь идти бесшажным ходом). Эта грязь ограничивает эффективность действия мази: 1J создает торможение (и износ), 2) делает мазь менее эластичной 3) ограничивает рабочую поверхность мази: например, большое количество сосновых иголок, прилипших к лыже, попросту сокращают ту площадь поверхности мази, куда мог бы проникнуть снег.
Мягкие держащие мази также смещаются назад вдоль скользящей поверхности, и таким образом, попадая на зону скольжения, создают торможение; это типичная проблема с клистерами. Более жесткие лыжи могут помочь избежать торможения, вызванного соприкосновением мази со снегом, а также в некоторой степени накопления грязи. Сегодня разрабатываются новые держащие мази и клистеры, которые содержат множество разных добавок - фтор, графит и т.д. Идея состоит в том, чтобы создать мазь, которая будет лучше скользить, противостоять грязи, и при этом иметь сцепные качества не хуже прежних. Первые образцы этих мазей применялись с переменным успехом - мази не создавали уверенного сцепления, либо быстро сходили (хотя в некоторых случаях при свежевыпавшем снеге попеременные слои смоляной и графитовой мазей действительно дают очень "комфортные" лыжи). Тем не менее, мази уже нового поколения очень эффективны. Они действительно быстрее и "комфортнее" прежних, и после новых доработок, они также предлагают хорошее сцепление в широком диапазоне температур, и прекрасно держаться на скользящей поверхности. Здесь действительно произошел прогресс! Держащая мазь может создавать сильное торможение, если подобрана неправильно и/или если в снеге присутствует грязь; недостаточное держание делает невозможным эффективное передвижение на лыжах. Именно по этим причинам тестирование держащей мази является намного более важным, чем тестирование мази скольжения, особенно при меняющихся погодных условиях. Если для скольжения можно подобрать "приблизительную" мазь, то держанию всегда нужно уделять первостепенное внимание. А теперь поговорим о мазях скольжения. 3.2. Как работает мазь скольжения. Цель настоящей главы - дать обзор двум вещам: какую функцию выполняет мазь скольжения, и какие ее виды существуют. Вероятно, для лыжника, катающегося ради отдыха, будет вполне достаточно и "приблизительной" мази (держащая мазь - это другая история). Однако для хорошо тренированного спортсмена, который обладает хорошей поставленной техникой и располагает лыжами, подходящими к его весу, способностям и снегу, более "точная" мазь позволит иметь преимущество в скольжении. Для того чтобы понять, как легко и эффективно применять мази скольжения, рассмотрим различные теории того, как и почему мазь работает. Хотя ни одну из этих теорий и нельзя считать полностью достоверной (никто в действительности никогда не видел поверхность снега, взаимодействующую со скользящей поверхностью лыжи и мазью), они, похоже, работают и являются полезным инструментом, дающим представление о том, что же происходит, когда лыжа приходит в соприкосновение со снегом. Четыре теории включают в себя такие понятия, как упругость кристалла, контролируемое трение/влажная смазка, поверхностное натяжение, сухая смазка и отталкивание грязи. 3.2.1. Упругость кристалла. Не смотря на то, что эта теория не находила большого внимания, она все же заслуживает короткого обсуждения. Согласно теории упругости кристалла, лыжа скользит, когда кристалл снега прогибается (упругая деформация) или разрушается. Кристалл холодного снега менее эластичный, поэтому для того, чтобы удержать его и прогнуть, мазь должна быть тверже. Чем выше температура снега, тем легче прогнуть кристалл и тем мягче должна быть мазь для обеспечения достаточного проникновения и удержания кристалла. 3.2.2. Контролируемое трение. Это классическая теория, которая утверждает, что если мы создадим контролируемое количество трения между скользящей поверхностью лыжи и снегом, то сможем растопить ровно столько снега, сколько требуется для скольжения по мельчайшему слою капелек воды, действующих наподобие крошечных шариковых подшипников. Подогнав твердость мази к характеристикам снежного кристалла, мы можем получить оптимальную степень проникновения кристалла Это создаст контролируемое трение, которое, в свою очередь, приведет к периферийному таянию снежного кристалла (очень незначительному таянию, только на границах кристалла). В результате лыжа заскользит по очень тонкому слою капелек воды. Для такой влажной смазки, оптимальная мазь определяется: · формой снежного кристалла (его остротой) · температурой снега (чтобы вызвать таяние холодного снега, потребуется больше тепла/трения) · прочностью снега (холодный кристалл крепче теплого) · наличием влаги (мы не хотим создать слишком большое количество воды, иначе мы получим эффект подсасывания, см. Рис. 3.3) Рис. 3.3 Теория контролируемого трения дает нам заметные и предсказуемые результаты, и это делает ее полезной для практического применения. Из этой теории следует, что слишком твердая мазь не допустит проникновения кристаллов, а значит, трения для образования необходимой водяной пленки будет недостаточно. (Ситуация дополнительно усложняется действием веса лыжника). В то же время слишком мягкая мазь даст избыточное проникновение, что приведет к слишком большому трению и, соответственно, к образованию большого количества воды. Еще более мягкая мазь может позволить кристаллам снега проникать в себя настолько глубоко, что движение станет невозможным. Кроме того, мягкие мази охотнее собирают грязь. Посмотрим, как теория работает в некоторых определенных условиях: Холодный снег представляет особые трудности. Как правило, холодные кристаллы снега либо очень острые, либо очень жесткие, либо и то и другое вместе. Чтобы создать необходимое количество трения и растопить кристалл, потребуется много энергии. При таких низких температурах, чтобы вызвать таяние, требуется много тепла, и поэтому избежать торможения очень трудно. Вот почему холодный снег обычно медленный, а действительно хорошие мази на холодный снег очень твердые и найти их нелегко. В этой ситуации выходом становиться сухая смазка. Мы поговорим о сухой смазке ниже в этой главе. Укатка лыжни также влияет на скольжение. Сбивая кончики кристаллов, укатка способствует хорошему скольжению в холодную погоду. Но вместе с тем, поверхность холодного укатанного снега может быть очень жесткой и абразивной, поскольку укатка сплавляет жесткие кристаллы холодного снега вместе; в таких условиях мазь имеет тенденцию быстро изнашиваться. Это еще одна причина, почему в морозную погоду необходима твердая износостойкая мазь.
Свежевыпавший снег по некоторым свойствам напоминает холодный. Пока новый снег не укатан, а значит, кристаллы еще не "затуплены", будет наблюдаться тенденция к дополнительному трению. Среднетемпературный снег не предъявляет высоких требований к смазке. Кристаллы менее острые и менее жесткие, при таких температурах обычно уже отмечается некоторое присутствие воды (но недостаточное для того, чтобы создавать серьезное подсасывание). По этой причине при средних температурах достичь хорошего скольжения проще. Вот почему хороших среднетемпературных мазей так много.
Теплый снег, как правило, влажный и имеет тупые кристаллы. По этой причине мази для теплого/влажного снега мягче (чтобы обеспечить проникновение). Вместе с тем из-за присутствия большого количества воды возрастает вероятность подсасывания - лыжи начинают ехать медленнее. В этой ситуации, для уменьшения торможения, вызванного подсасыванием, может потребоваться нанесение структуры - маленьких бороздок, которые выдавливаются или нарезаются на скользящей поверхности лыжи с целью уменьшения эффекта подсасывания. Поверхностное натяжение мази, которое влияет на форму и размер водяных капелек, также становится фактором скольжения. Кроме того, таяние снега обычно приводит к повышенному содержанию в нем грязи. Хороших мазей, пригодных для этих особых условий, не так много; эффективными могут быть различные добавки и альтернативы (такие как, фторуглероды). 3.2.3. Поверхностное натяжение. Как только сформировался слой воды, появляется необходимость в управлении формой и размером водяных капелек. Отчасти это достигается путем регулирования трения и, таким образом, количества воды. Однако различные компоненты мази также помогают управлять размером и формой капелек за счет изменения величины поверхностного натяжения. Примерно также, как капли дождя по-разному формируются на кузове недавно отполированного автомобиля, покрывая его множеством маленьких "бусинок", различные типы мазей влияют на размер и форму капелек воды. Крупная широкая капелька будет создавать эффект подсасывания, тогда как маленькая и круглая будет в большей степени выполнять роль смазки/подшипника. Поверхностное натяжение помогает объяснить, почему различные мази, предназначенные для одной и той же погоды, ведут себя совершенно по-разному. А также, почему одна и та же мазь дает разные результаты в практически одинаковых условиях - например, в некоторых районах или странах, где, скажем, при одной и той же температуре содержание воды в снеге может быть разным. Самым ярким примером применения этой теории является фторуглеродная "мазь". У фторуглеродов (фторов) поверхностное натяжение значительно выше, чем у обычных парафинов, а коэффициент трения ниже. В результате на скользящей поверхности, обработанной фторуглеродом, образуются значительно более мелкие и круглые "бусинки", чем после смазки обычной мазью. Это главная причина, почему фторуглеродные "мази" лучше работают в условиях высокой влажности. (Другая причина - это высокая грязеустойчивость фторуглеродов. Влажный снег, особенно, в котором происходит таяние, как правило, содержит много грязи, и в таких условиях у фторуглеродов появляется значительное преимущество.) Фторуглероды работают в очень широком диапазоне температур и в довольно широком диапазоне влажности. Наилучшим образом они ведут себя при высокой влажности, и чем она выше, тем шире их температурный диапазон. Тем не менее, во время тестирования фторуглероды не всегда оказываются самыми быстрыми. Часто их настоящее преимущество не проявляется до того момента, пока не пройдешь порядочное количество километров. Если после этого фторы все еще будут продолжать ехать быстро, вследствие своей грязеустой-чивости и общей твердости, то парафины начнут сбавлять ход. Таким образом, фторы можно отнести к "мазям" для длинных дистанций. К сожалению, они иногда не совсем подходят для коротких дистанций, таких, например, как юношеские гонки. 3.2.4. Сухая смазка и добавки. Идея здесь во многом такая же, как и в "обычной" смазке: трение между двумя поверхностями снижается за счет добавления смазывающих веществ, таких как тефлон, графит, молибден или силикон. Сухая смазка играет свою роль при любом снеге, будь он сухой или влажный. Добавки изменяют поверхностное натяжение мази и могут влиять на ее износ. При холодном снеге, когда трудно рассчитывать на влажную смазку, необходимую смазку дадут такие добавки, как графит. Это в равной степени относится и к сухому снегу. Кроме того, некоторые производители утверждают, что добавление графита, молибдена и подобных им добавок делает мазь (или скользящую поверхность) более электропроводимой, что позволяет лыжам "сбрасывать" статическое электричество, которое притягивает грязь. Многие лыжники предпочитают использовать графитовую мазь с целью защиты лыж при их транспортировке, основываясь на той теории, что такая мазь помогает поддерживать уровень графита в скользящей поверхности. Производители по-разному смотрят на применение графита: одни рекомендуют использовать его в качестве мази для скользящей поверхности, другие - для смешивания с другими мазями, третьи - как верхний слой, а четвертые - просто как уже смешанную готовую мазь для конкретных погодных условий. Размер частиц также варьируется от названия к названию, и влияет на проникновение. Поддержание уровня содержания фторуглеродов в скользящей поверхности может быть преимуществом, по крайней мере, для теплых лыж. Таким образом, фторграфитные парафины могут быть прекрасными мазями для защиты лыж во время их перевозки или хранения. С этими мазями вы сохраните уровень графита и фтора в скользящей поверхности и будете на один шаг ближе к завершающей смазке - соскребите, добавьте мазь по погоде, и вперед. Обе из вышерассмотренных теорий (сухая смазка и снятие электростатических зарядов) приводятся со ссылкой на превосходные характеристики графитовой скользящей поверхности. Вследствие своих антистатических свойств, парафины с добавлением графита часто проявляют себя с лучшей стороны либо в грязных условиях, либо при низкой влажности. По той же самой причине, графиты и им подобные добавки могут снижать накопление грязи при влажном снеге. Графитовые добавки и/или графитовые подслои могут существенно снизить износ мази, и тем самым, продлить хорошее скольжение. Если нужен практический совет, то можно сказать так: если вы не знаете использовать добавку (или подслой) или нет, то используйте. Это может улучшить характеристики скольжения и износостойкости, и только в редких случаях будет оказывать серьезное отрицательное воздействие на скольжение. Силикон - это добавка для влажного снега. Оп выпускается многими компаниями в виде силиконового геля, жидкости или силиконовой добавки (парафина с добавлением силикона). Силиконы хорошо работают на влажном снегу и очень плохо на сухом. Многие полагают, что они склонны набирать грязь - поэтому, вероятно, их применение следует ограничить более короткими дистанциями.
Чемпионат мира 1995 года в Тандер-Бее (Канада) стал ареной несколько необычных и эффективных решений применительно к невероятно высокому содержанию грязи. Перед коньковыми этапами гонок преследования, лыжники приходили после 5-ти километров дистанции с черными лыжами. Проведя скребком вдоль скользящей поверхности, можно было собрать столовую ложку черной липкой гадости. Лыжи загрязнялись так быстро, что, пройдя половину 5-километрового тренировочного круга, лыжникам приходилось идти коньком на спусках, а на равнинных участках использовать технику передвижения в подъем.
Таким образом, проблема очистки лыж приобрела первостепенное значение, которую вес команды решили одинаково - положив поперек лыжни чистящие доски. Доски оборачивались полотенцем или фибертексом, которые смачивались различными детергентами, начиная со смывки для мази и заканчивая бытовыми чистящими средствами. Лыжники переезжали эти доски, очищая свои лыжи и значительно улучшая скольжение. 3.2.5. Отталкивание грязи. Настала очередь сказать несколько слов об отталкивании/противодействии грязи. Эта та область, значимость которой постоянно растет вместе с ростом загрязнения окружающей среды. Грязный снег встречается не только в промышленных районах, обычно грязным бывает весенний снег, как впрочем, и любой снег s условиях таяния: по мере его испарения или таяния растет концентрация грязи. Грязь также присутствует там, где есть деревья: падающие листья и иголки несут с собой грязь, либо сами перемешиваются с ней; на снег попадает также сдуваемая с деревьев пыль. Отталкивание грязи становится важным моментом при выборе наилучшей мази. Чистые лыжи будут ехать быстрее, а лыжи, долго остающиеся чистыми, будут дольше сохранять скорость. Нужно помнить следующее: • При данной температуре твердая мазь будет противодействовать грязи лучше, нежели мягкая. • Продолжительное хорошее скольжение может быть более важным, нежели очень хорошее, но кратковременное скольжение. Мазь, которая при первоначальном тестировании была немножко медленнее, может потом ехать быстрее в течение 50-ти или более километров вследствие своей высокой грязе и износоустойчивости. Вместе с тем, другая мазь, быть может, изначально более быстрая, быстро наберет грязь и/или сотрется. Одни мази хороши только для коротких дистанций, другие же будут лучше работать на длинных. • Всегда имеет смысл проводить повторное тестирование мази после того, как она уже "откатана", с тем, чтобы проверить ее на снижение скорости. Теперь мы знаем, как правильно подбирать мазь под погоду. Теперь разберемся как мазь наносится на лыжи. 3.3. Подготовка лыж. 3.3.1. Инструменты Стол для смазки и обработки Прежде всего для смазки и обработки лыж нам понадобится стол удобной высоты, оснащенный необходимыми для работы приспособлениями (электророзетки, дополнительное освещение и т.д.). Столы бывают как самодельные, так и производства каких-либо фирм (например "SWIX"), стационарные или переносные, с большим разнообразием конструкций и их модификаций. Щетки Бывают двух типов: обычные (для ручной обработки) и вращающиеся (для механической обработки с помощью электродрели). Для ручной обработки используются щетки нескольких разновидностей: металлические (латунные, бронзовые, стальные), нейлоновые (жесткие, средние, мягкие), натуральные (обычно из конского волоса), комбинированные (латунно-нейлоновые, бронзово -нейлоновые, латунно-натуральные,натурально-нейлоновые), полировальные (в виде натуральной пробки или блока с фланелью). Для механической обработки (в этом случае в качестве привода используются электрические или аккумуляторные дрели) применяются вращающиеся щетки. Они размещаются на специальной оси, одна сторона которой служит ручкой для держания, а другая крепится в патроне дрели (наподобие сверла). Вращающиеся щетки по используемым материалам "щетины" аналогичны вышеперечисленным щеткам для ручной обработки. В принципе можно бы без труда назвать как минимум несколько десятков разновидностей щеток, но вряд ли в этом есть смысл. Важнее, наверное, разобраться, на какие принципиальные классы они подразделяются и для каких целей используется каждый конкретный вид щеток. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ЩЕТКИ (кроме стальной) в основном используются для очистки скользящей поверхности и микроструктуры от старого парафина и грязи. СТАЛЬНЫЕ ЩЕТКИ обычно применяется не столько для удаления парафина, сколько для нанесения на скользящую поверхность мелкой микроструктуры (в зависимости от погодных условий). НЕЙЛОНОВЫЕ ЩЕТКИ бывают жесткие, средние и мягкие. Жесткие используются для удаления более твердого (морозного) парафина, средние - для удаления мягкого (предназначенного для переходной и теплой погоды). Мягкие щетки применяются при окончательной полировке скользящих поверхностей. НАТУРАЛЬНЫЕ ЩЕТКИ применяются для удаления мягкого парафина и для обработки поверхностей после нанесения на них порошков и ускорителей. ПОЛИРОВАЛЬНЫЕ ЩЕТКИ используются при сухом (без применения утюга) способе ЖЕСТКИЙ ФИБЕРТЕКС С АБРАЗИВОМ используется для снятия ворса после циклевки скользящей поверхности. МЯГКИЙ ФИБЕРТЕКС С АБРАЗИВОМ - для удаления верхнего очень тонкого слоя поверхности (фактически - своеобразного сглаживания) без изменения структуры лыжи. ФИБЕРТЕКС БЕЗ АБРАЗИВА служит для полировки скользящих поверхностей. Цикли, скребки МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ - служат для выравнивания скользящих поверхностей и удаления ворса (твердость стали, из которой сделана цикля и ее толщина зависят от того, насколько большой слой пластика вам необходимо снять). Металлические цикли выпускаются различными фирмами ("TOKO", "SWIX" и т.д.) или делаются на заказ из специальных сортов стали. Мягкий металл позволяет производить заточку циклей в обычных, "полевых" условиях с использованием специальных заточек. Жесткий металл предполагает заточку циклей только в заводских условиях. Совет: для первичной обработки применяйте цикли из более твердого металла, позволяющего за один проход снять достаточно большой слой пластика, а для доводки - из более мягкого. СКРЕБКИ ИЗ ОРГСТЕКЛА, ПЛАСТМАССЫ служат для удаления парафина и обработки скользящей поверхности после нанесения структуры. Выпускаются толщиной 3, 4 и 5 мм. Чем толще скребок, тем более жесткую обработку вы сможете провести. БРИТВЕННЫЕ СТАНКИ служат для удаления ворса после механической и ручной шлифовки (циклевки) лыж. СКРЕБКИ ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖЕЛОБКА выпускаются различных разновидностей. Сейчас все большее распространение приобретают скребки, своей формой напоминающие авторучки. РУЧНЫЕ НАРЕЗКИ И НАКАТКИ. Структура, нарезка наносятся на лыжу специальными накатками вручную. Накатки могут быть с вращающимися или закрепленными стационарными резцами (ножами). Кроме того, они могут быть с заменяемыми или стандартными (в виде металлических пластинок) резцами (ножами). Кроме того, они подразделяются на нарезающие структуру и выдавливающие. Ясно, что выдавливающие являются более щадящими по отношению к пластику по сравнению с нарезающими.
3.3.2. Этапы подготовки лыж. 1. Снимите транспортировочную мазь скребком из оргстекла и скребком для желобка.
2. Пройдите лыжу белой нейлоновой щёткой Т1б1, затем щёткой со смешанной набивкой Т155. 3. Заделайте повреждения скользящей поверхности, заплавив их ремонтным пластиком Т170 или Т171. 4. Охладив отремонтированные места, удалите избыток ремонтного полиэтилена стальной циклей Т80 или бруском Т108. 5. Сгладьте края скользящей поверхности стальной циклей Т80 и/или 0.18 мм шкуркой. 6. При необходимости дальнейшее приведение в порядок и выравнивание скользящей поверхности производится стальной циклей и/или шкуркой Swix. 7. Новая структура, если она необходима, наносится накаткой Т401 с соответствующим резцом. 8. Несколько раз несильно пройдите по поверхности бритвенным скребком, чтобы срезать верхушки грядок структуры. Фибертексом Т266 слегка скруглите все острые кромки структуры. Эта обработка фибертексом снимет также оксидирование поверхности. 9. Очистите поверхность методом «горячего соскребания" мягкой мазью наподобие СН8 или СН10. 10. После охлаждения лыжи снимите всю оставшуюся мазь белой нейлоновой щёткой и щёткой со смешанной набивкой Т155. 11. Нанесите мазь для гонки, соответствующую погодным и снежным условиям, в соответствие с картой смазки Swix. 12. Аккуратно прогрейте мазь утюгом. Повторный прогрев через 20 минут, после охлаждения мази, увеличит проникновение мази в поверхность. 13. Прочистите скребком желобок, боковины и края лыжи. 14. При использовании мазей для мороза легко сциклите большую часть мази не дожидаясь ее окончательного остывания. 15. Очистите боковины фибертексом Т266. Положите на них пасту F4, дайте высохнуть и отполируйте. 16. Пройдите поверхность белой нейлоновой щёткой Т161. Для более твёрдых мазей используйте щётку со смешанной набивкой Т155. 17. Пройдите поверхность несколько раз скребком из оргстекла с меньшим нажимом. 18. Продолжите обработку белой нейлоновой щёткой Т161 и/или щёткой со смешанной набивкой Т155 для более тонких структур/более холодных мазей. 19. Доводка производится синей нейлоновой щёткой Т160. При использовании Сеrа F выполните следующие шаги 20. Нанесите Сеrа F. Распределите порошок равномерно по поверхности лыжи. Прогрейте Сеrа F утюгом. Достаточная для вплавления Сеrа F в поверхность температура достигнута, когда маленькие блестящие звездочки "пляшут» на скользящей поверхности сразу за утюгом. 21. После охлаждения тщательно обработайте Сеrа F щёткой из конского волоса Т157. Доводка производится синей нейлоновой щёткой Т160. После гонки 22. Очистите колодку от держащей мази. При необходимости используйте скребок для желобка; все остатки мази удалите фиберленом Т150 и смывкой для мази. 23. Очистите скользящие зоны щёткой со смешанной набивкой Т155. Если поверхность очень грязная, используйте смывку перед обработкой щёткой. 24. Проверьте скользящую поверхность и выполните необходимый ремонт. 25. Пройдите поверхность несколько раз фибертексом Т266 для снятия оксидирования. 26. Закройте поверхность слоем мягкой мази наподобие СН8 или СН10. 27. Свяжите лыжи вместе связкой R400 или R395. 3.4. ТЕСТИРОВАНИЕ ЛЫЖ И СКОЛЬЖЕНИЯ. Тестирование мази и лыж - это сложное занятие, и многое из того, что проходит через "проверку", не дает достоверной информации. С другой стороны, понимание методов тестирования поможет любому лыжнику делать более осознанный выбор инвентаря и мази.
Чтобы быть достоверным, тестирование должно быть максимально простым. В этой главе мы рассмотрим целый ряд различных методов тестирования, от самых элементарных до таких, которые доступны только лыжным командам или лыжникам, способным потратиться на достаточно дорогое оборудование. Целью, тем не менее, будет вернуться к некоторым простым методам, которые пригодятся любому, кто интересуется выполнением базисных тестов. Первое правило тестирования: Исключайте переменные. Это необходимо для получения точных выразительных результатов. Исключение переменных означает, что для тестирования мази лыжи должны соответствовать друг другу по прогибу, марке и структуре. Для тестирования структуры - по прогибу, марке и мази. А для тестирования лыж - по структуре и мази. Рассмотрим четыре самых распространенных типа тестирования: тестирование с использованием радара скорости, тест на длину выката, тест на "соревновательное" скольжение и субъективное тестирование. 3.4.1. Радары скорости. Наиболее "научный" метод тестирования - это использование радара скорости: вы пересекаете световой луч, который запускает секундомер, проезжаете заданную дистанцию и пересекаете следующий световой луч, который останавливает секундомер. В последнее время в продаже появился целый ряд недорогих и простых систем измерения скорости. Они состоят из устройства, надеваемого на ногу, которое срабатывает, когда вы проезжаете мимо врытого в снег столбика с электромагнитом. Проблемы, которые могут мешать выполнению этого теста: • ветер • изменения в лыжне вызванные катанием по ней или вы падением снега • истирание мази • неровность лыжни: изгибы, бугры • неровность горы разгона • чехлы на ботинках (они могут цепляться за стенки лыжни, замедляя скольжение) • снег в лыжне может отличаться от снега вне лыжни • неровное движение лыж от спуска к спуску Метод с радаром скорости не пригоден для подбора лыж (о котором мы поговорим позже в этой главе), но он имеет следующие преимущества: • дает объективные и удобные для регистрации данные времени/скорости • тест может выполняться на скоростях, свойственных соревновательной или тренировочной скорости передвижения лыжника • дает возможность протестировать большое количество лыж/мазей за короткое время • подходит для подбора мази и структуры Знайте, что при использовании этого метода возможен большой предел погрешности. Отклонения от спуска к спуску на 0,1 км/ч -обычное дело, и эти значения могут быть гораздо больше. На практике различия внутри серии спусков на одной и той же паре лыж часто бывают больше, чем разница между средними спусками двух пар лыж. Это ставит под сомнение надежность данного метода, однако если вести тщательные записи результатов, появляются долговременные закономерности; эти записи являются самой весомой информацией. Тесты с использованием радара скорости, выполняемые вне лыжни, привносят бесчисленное число дополнительных переменных (без лыжни просто невозможно одинаково скатиться на каждой паре лыж). По моему опыту, подобные тестирования дают результаты с таким широким разбросом данных, что оказываются просто бесполезными. Второе правило тестирования: Ведите записи! 3.4.2. Тест на длину выката. Это наиболее распространенный и самый простой метод тестирования: скатываетесь со склона из общей начальной точки, и смотрите, какие лыжи уезжают дальше. Трудности, которые могут возникнуть во время выполнения этого теста те же самые, что и при использовании радара скорости, однако добавляется еще одно обстоятельство - на решающей финальной части выката скорость лыжника значительно ниже скорости, свойственной передвижению на лыжах. На этом участке, где скорость и кинетическая энергия имеют наименьшие значения, минимальные изменения ветра, нагрузки, и т.д., могут создать огромную разницу в результатах. Главное преимущество этого метода - его простота; в некоторой степени он может оказаться полезным при подборе лыж. 3.4.3. Тест на "соревновательное" скольжение. Первые два метода предполагают, что все спуски выполняет один лыжник. Тем не менее, широко распространен и третий метод, который можно было бы назвать тестом на "соревновательное" скольжение, где два лыжника определяют, кто из них скользит дальше и разгоняется быстрее. Два лыжника встают бок о бок, затем, держась за руки для уравнивания стартовой скорости, начинают скольжение вниз по лыжне. По завершении равного старта, лыжники должны отпустить руки, и смотреть, чьи лыжи ускоряются быстрее и/или скользят дальше. С этим методом также связаны определенные трудности: • Лыжники с разным весом будут иметь разные результаты: вес влияет на распределение давления и, следовательно, на ускорение и скольжение. Тяжелый лыжник обычно быстрее наращивает скорость и дальше скользит. • Как правило, разные лыжники пользуются лыжами разных марок или с различной структурой. • Все лыжники загружают лыжи по-разному (переднюю или заднюю часть, скользят на кантах), влияя на скольжение и ускорение. • Тест на "соревновательное" скольжение не подходит для тестирования большого количества лыж. • Квалификация данных невозможна. Некоторые из этих трудностей можно устранить, если лыжники будут постоянно меняться лыжами. Следует понять одну серьезную проблему, которая является общей для всех этих методов тестирования. Во время использования лыжных ходов, нагрузка на лыжи в период скольжения равна массе тела лыжника или превосходит ее. Например, во время передвижения классическим ходом вы скользите на одной лыже, загружая ее всей массой тела. В коньковых ходах, во время подготовки к следующему шагу, вы можете загрузить скользящую лыжу весом, превышающим массу вашего тела в несколько раз. В противоположность этому, все тесты на скольжение выполняются при 50% массы тела (т.е. вес равномерно распределен на обе лыжи). Таким образом, все вышеописанные методы тестирования дают информацию по скольжению в условиях отличных от реального передвижения на лыжах! Тесты на скольжение чаще всего используются для подбора мази или структуры. Для подбора же лыж следует пользоваться другим методом - методом "субъективного тестирования". 3.4.4. Субъективное тестирование. Для подбора лыж можно пользоваться тестом на длину выката (второй метод), однако наиболее эффективным в этом случае будет метод субъективного тестирования, который также является хорошим методом тестирования мази. Субъективное тестирование выполняется двумя способами. Первый способ: для сравнения "расхождений" в скорости/ощущениях и определения того, какая из лыж "тормозит" на подъемах, нужно покататься на двух разных лыжах - на одной ноге с лыжей из пары "А", и на другой - с лыжей из пары "Б". Второй способ: проходите небольшую петлю на одной паре лыж, а затем проходите ее же, но уже на другой паре.
Метод субъективного тестирования требует практики, поэтому он должен быть постоянной и неотъемлемой частью подготовки спортсмена, независимо от того, какая стоит задача - тестирование лыж или мази. Лыжники должны знать свои лыжи; опыт, приобретаемый во время выполнения такого вида тестирования, бесценен.
Хорошие лыжники могут сравнивать лыжи с большой точностью. На чемпионате мира 1999 года, Торгни Могрен проводил чрезвычайно важное и точное тестирование, полагаясь только на свои ощущения, в условиях, когда ветер и падающий снег сделали другие способы тестирования просто бессмысленными. Это еще один повод культивировать чувство своих лыж. 3.4.5. Простые варианты тестов. Как выполняет тест рядовой лыжник или даже средняя команда? Если допустить, что покупка радара скорости невозможна, можно предложил следующее: Тестирование мази/структуры Тестирование мази не так уж и важно: все современные марки мазей хорошего качества, и если вы читаете этикетки, у вас есть термометр для воздуха и термометр для снега, и даже гигрометр, то вы вряд ли сильно ошибетесь. Если вы хотите протестировать мазь или структуру, то используйте тест на длину выката или тест на "соревновательное" скольжение, но при этом обязательно исключите переменные. Убедитесь, что лыжня хорошая, и что вы выкатываетесь на равнину: если после спуска вы будете натыкаться на подъем, заметить какую-либо значительную разницу в скольжении будет очень сложно. Не пытайтесь тестировать незначительные изменения в смазке или одновременно большое количество мазей. Проводите тесты между марками или между целыми цветами мазей (в противоположность смесям). Старайтесь усилить различия до такой степени, чтобы они стали выразительными. Старайтесь не тестировать мази на несоответствующих друг другу лыжах. Мне часто приходится видеть, как кто-то тестируют разные мази вначале на паре Fisher, затем на паре Karhu, затем па паре Rossignol, а потом еще и на паре Madshus. Что покажут результаты в таком случае? Какая жесткость была лучше? Какая структура была лучше? Или может быть материал какой скользящей поверхности был быстрее? Шансы распознать таким образом самую лучшую мазь близки нулю. Мораль? Будьте последовательны, планируйте свои действия и тестируйте только одну вещь за раз. Исключайте переменные, и будьте проще! Одно последнее замечание: Когда будете тестировать мази, обязательно пронумеруйте лыжи и запишите, какая мазь нанесена на каждую из них! Наклейте на носки лыж кусочки изоленты, напишите на них номера лыж маркером, и все записывайте. Подбор лыж Учитесь подбирать лыжи, полагаясь на свои ощущения: среди лыжников международного уровня распространено полное игнорирование радаров скорости - они подбирают свои лыжи, основываясь на их реальных эксплуатационных качествах. Для соревнований лучше выбирать лыжи, которые работают на вас на подъемах, чем те, которые, возможно, показали себя чуть быстрее на спусках. Многие успешные лыжники скорее побегут гонку на лыжах, которые могли быть только третьими при тестировании с радаром скорости, но на подъемах вели себя лучше. И опять же, не забывайте, что около 70% времени вы затрачиваете на подъемы. Тестирование для определения самой лучшей пары классических лыж отличается от тестирования для определения самой лучшей пары коньковых лыж: Классические лыжи. Смажьте по одной лыже от каждой пары, или смажьте все имеющиеся лыжи - и смажьте их все одинаково. Выйдите и прокатитесь по небольшой петле; обязательно проверьте лыжи на подъеме. Попытайтесь почувствовать скольжение, но, прежде всего, обратите внимание на то, какие лыжи лучше держат. Выберите те лыжи, которые больше всего помогают вам на подъемах. Коньковые лыжи. Опять же, одинаково смажьте все свои лыжи, затем прокатитесь на них, беря по одной лыже из каждой пары, или поочередно на каждой паре. Наблюдайте за скольжением, но обращайте также внимание на то, как лыжи ведут себя на подъемах, когда вы нагружаете их своим весом. Если лыжи помогают вам на подъемах, то именно эти лыжи и следует выбрать. И наоборот, если они "встают" на подъемах, поищите другие лыжи. Записывайте все результаты. Ведение записей требует времени и труда, но дает ценную информацию, которая упрощает поиск хороших лыж. 3.4.6. Передовые методы тестирования скольжения Самое тщательное тестирование начинается с калибровки тестовых лыж, смазанных одной и той же мазью. После калибровки все пары лыж смазываются по-разному, при этом одна из них ("нулевая пара") смазывается точно также как при калибровке. Затем лыжи тестируются снова. Место тестирования должно быть тихим (безветренным; даже легкий ветерок затруднит тестирование). Сделайте как минимум шесть тестовых спусков на каждой паре лыж. Средние показатели: скорости/времени будут являться основным результатом возможных различий, среднее отклонение будет показывать погрешность тестирующего лыжника и погодных условий (ветра), а тенденция будет указывать на изменения в лыжне. (При температуре около 0°C, сдвиги в результатах, вызванные изменениями в состоянии лыжни, могут быть очень сильными). В целом весь тест может включать до шестидесяти спусков — довольно большая работа, но, тем не менее, дающая достаточно достоверные результаты. Значимыми являются расхождения в результатах свыше 1% от среднего показателя нулевой пары. Если расхождения во время калибровки и во время тестирования мазей составляют менее 1%, можно предположить, что разницы между мазями нет. Иногда при первом тестовом спуске лыжи едут быстро, но после становятся медленнее. Причиной этому могут быть грязь, вода, или же твердые кристаллы льда, которые истирают скользящую поверхность и мазь. Пока скользящая поверхность гладкая, она скользит хорошо, но с появлением все большего количества "царапин", от спуска к спуску, лыжи становятся медленнее. В таких условиях нужно обращать внимание на изменения в тенденции результатов, чтобы иметь информацию о состоянии мази. Человеческий фактор имеет большое значение. Если одни и те же лыжи тестирует сразу несколько лыжников, есть риск получить запутанные результаты. Каждый лыжник имеет свой "подход" к лыжами. Даже небольшие изменения в весе или равновесии могут привести к изменениям в распределении давления лыж. Выполняйте тестирования только с одним лыжником. Извечный вопрос: какое тестирование лучше - субъективное или объективное? Старайтесь выявлять явные различия между лыжами, используя объективные тесты, а небольшие - "на ощупь" - с помощью субъективного теста. При тестировании держащей мази больше обращайте внимание на хорошее держание, нежели на скольжение. Скольжение и держание на классических лыжах является скорее вопросом прогиба, чем самой мази. Даже если производители мазей и утверждают, что скольжение держащей мази очень важно, не стоит придавать этому большого значения. Вместо этого лучше помнить о том, что назначение держащей мази - держать, а не скользить. Скольжение зависит от других вещей (мази скольжения, распределения давления).
Всё это, конечно, в идеале. В условиях же соревнований процедуры должны быть упрощенны. Но даже в этом случае, не следует брать в расчет расхождения менее чем в 1 %. 3.4.7. Другие методы Некоторые лыжные команды, в особенности итальянские, тестируют лыжи, устанавливая подряд сразу несколько радаров скорости. Это позволяет им тестировать степень ускорения лыж.
Несколько лет назад велись работы по использованию маленького ролика или гребного колесика, закрепленного на пяточной части лыжи. Эта конструкция соединялась с небольшим компьютером, регистрирующим скорость и степень ускорения лыжи, которые в последствии можно было вывести в виде графика. Эта прекрасная идея не получила своего развития, однако представлялась и до сих пор представляется исключительно полезной. Наши российские специалисты придумали так называемую "взбивалку для яиц" небольшую машинку с вращающимися полиэтиленовыми (Р-Тех) дисками. Вращающийся диск прикладывается к снегу и измеряется сопротивление. Это приспособление позволяет технику за короткое время, и с регистрацией всех данных, протестировать столько мазей, сколько у него есть в наличии дисков. Оно также позволяет технику за короткий срок протестировать мази в разных местах (в верхней точке, в нижней точке и т.д.). Велись также некоторые работы над приспособлением, которое тащило лыжу вдоль лыжни и измеряло сопротивление. Все эти методы являются попытками собрать объективные и удобные для записи данные простым и легко выполнимым способом. При этом весьма желательно исключение погрешностей, связанных с самим лыжником (неравномерная загрузка лыж, сопротивление воздуха и т.д.). Мы разобрались, почему лыжи «катят», а иногда не нет, какие парафины использовать и что нужно иметь для подготовки лыж. Теперь перейдем непосредственно к опыту.
4. Экспериментальное изучение коэффициента трения. 4.1. Физические основы теста на длину выката. Рассмотрим динамику и кинематику наиболее распространенного и самого простого метода тестирования лыж, когда вы скатываетесь со склона из общей начальной точки, и смотрите, какие лыжи уезжают дальше – тест на длину выката (см. Рис. 4.1). Теста на длину выката. Рис. 4.1 Лыжник стартует без начальной скорости VНР = 0 с вершины ровной горы высотой H, составляющей некоторый угол a с горизонталью, и за время tР проезжает по склону расстояние LР, постоянно разгоняясь до скорости VР. Затем в течение времени tТ лыжник движется по горизонтальной поверхности и на некотором расстоянии от окончания склона LТ он остановится VКТ = 0. При этом можно принять следующие допущения: коэффициент трения о снег m постоянен; сопротивления воздуха отсутствует; переход от наклонного участка к горизонтальному происходит без удара. Требуется определить абсолютную величину коэффициент трения о снег m и относительную эффективность скольжения тех лыж, которые за счет лучшей смазки (меньшего коэффициента трения m¢) позволяют лыжнику увеличить длину выката на некоторую величину DL . Прежде всего, решим поставленную задачу исходя из законов Ньютона и формул равноускоренного движения. На первом (наклонном) участке равноускоренного движения лыжника (с ускорением ар) введем плоскую декартову систему координат с осями: ХР – направленную по ходу движения лыжника (под углом a к горизонту) ; YР – направленную перпендикулярно склону, и запишем второй закон Ньютона относительно этих осей (сумма проекций всех сил действующих вдоль некоторой оси равна массе тела умноженной на проекцию ускорения вдоль данной оси): (4.1) (4.2) Раскроем левые части выражений (4.1) и (4.2) при условии, что сопротивления воздуха осутствует (4.3) (4.4) Получив из (4.4), что , и подставив значение силы реакции опоры на наклонном участке в (4.3) запишем (4.5) Учтем, что из геометрических соотношений (см. Рис. 4.1) , а . Приняв во внимание, что при малых углах a отношение , а , из (4.5) получим . (4.6) Стартуя без начальной скорости и двигаясь равноускоренно (с ускорением ар) лыжник к концу наклонного участка достигнет скорости равной , (4.7) затратив на это время , (4.8) и пройдя путь . (4.9) С учетом (4.6), последнее выражение можно переписать относительно V2P (4.10) На втором (горизонтальном) участке равнозамедленного движения лыжника (с ускорением аТ) введем плоскую декартову систему координат с осями: ХТ – направленную по ходу движения лыжника (горизонтально) ; YТ – направленную перпендикулярно первой, и аналогично (4.1) и (4.2) запишем второй закон Ньютона относительно этих осей (4.11) (4.12) Раскроем левые части выражений (4.11) и (4.12) при условии, что нет сопротивления воздуха (4.13) (4.14) Приняв из (4.14), что , и подставив значение силы реакции опоры на горизонтальном участке в (4.13) запишем , (4.15) получив аналогично (4.6) . (4.16) При условии, что переход от наклонного участка к горизонтальному происходит без удара, а скорость лыжника в момент начала торможения равна его скорости в конце окончания разгона
(4.17) получим, что на выкатывание по горизонтальному участку он затратит время , (4.18) и пройдет путь . (4.19)
С учетом (4.16), последнее выражение можно переписать относительно V2P (4.20) Поскольку в соотношениях (4.10) и (4.20) равны левые части, то, приравняв правые части этих выражений, получим , что при обозначении общего пути пройденного лыжником через , даст следующую простую формулу для абсолютного значения коэффициент трения о снег m . (4.21) Как уже было отмечено, данное решение найдено из законов Ньютона и формул равноускоренного движения. Однако, использование теоремы о кинетической энергии позволяет получить ответ гораздо быстрее. Кинетической энергией материальной точки называется половина произведения ее массы на квадрат скорости. Известно, что в случае произвольного движения может быть доказана важнейшая теорема классической механики: Изменение кинетической энергии тела равно работе всех сил, действующих на тело на рассматриваемом участке траектории. Применительно к решаемой нами задаче данную теорему можно записать в виде: , (4.22) где – кинетическая энергия лыжника (начала разгона), стартующего без начальной скорости VНР = 0 с вершины горы; – кинетическая энергия лыжника (конца торможения), в момент его остановки VКТ = 0 на некотором расстоянии LТ от окончания склона; - соответственно работа силы тяжести, силы трения и силы реакции опоры. Поскольку как на участке разгона, так и на участке торможения сила реакции опоры N перпендикулярна вектору перемещения лыжника, работа этой силы равна нулю . (4.23) Величина силы трения на наклонном и горизонтальном участках равна соответственно и . Приняв во внимание, что вектор силы трения всегда противоположен вектору перемещения лыжника, работа этой силы будет отрицательной и равной . (4.24) В направлении силы тяжести лыжник совершит перемещение на величину Н (высота горы), поэтому работа данной силы будет положительной и равной . (4.25) Подставим все найденные выражения (4.23), (4.24) и (4.25) в (4.22) . Приняв во внимание, что при малых углах , мы получим , что и даст нам окончательное выражение для абсолютного значения коэффициент трения о снег m, полностью совпадающее с ранее полученной зависимостью (4.21) . Используя полученную формулу для расчета абсолютной величины коэффициента трения о снег m, можно легко найти относительную эффективность смазки тех лыж, которые позволяют спортсмену за счет меньшего коэффициента трения m¢ увеличить длину выката на некоторую величину DL=L¢-L: . (4.26) 4.2. Методика проведения опытов. Из полученных нами формул для определения абсолютного значения коэффициента трения о снег m (4.21) и относительную эффективность смазки лыж (4.26) видно, что при проведении опытов достаточно определять только линейные размеры, такие как: L (L¢)- общий путь лыжника; Н – высоту горки, с которой он стартует. Однако, если для измерения общего L пути достаточно шагами промерять расстояние от точки начала разгона до точки торможения, то для определения высоты Н в обычных условиях у лыжника нет никаких средств измерений (таких как нивелиры, уровни и т.д.). При этом можно исходить из того, что в распоряжении спортсмена вполне может быть секундомер (или электронные наручные часы), и, следовательно, у него есть возможность замерять хотя бы интервал времени от момента начала разгона до полного торможения . Для того, что бы получить формулу для определения абсолютного значения коэффициента трения о снег m, в которой вместо величины Н (высоты горки), фигурировал бы общий интервал времени t. Еще раз вернемся к найденным нами зависимостям (4.6) и (4.16), с учетом (4.9), (4.19) и (4.21) запишем: , (4.27) , (4.28) , (4.29) , (4.30) , (4.31) , (4.32) . (4.33) Окончательно найденная нами формула (4.33), для экспериментального определения абсолютного значения коэффициента трения о снег m, позволяет сформировать следующую методику проведения опытов и обработки полученных результатов: первый этап – спортсмен на лыжах поднимается в тестовую горку на некоторую высоту и отмечает место своего старта; второй этап – фиксирует свое положение палками, затем, отпуская их, одновременно с началом разгона включает секундомер и скатывается с горки; третий этап – в момент окончания скольжения по горизонтальному участку лыжник останавливает секундомер, фиксирует время t и отмечает место, до которого он докатился; четвертый этап – спортсмен снимает лыжи и пешком возвращается к месту своего старта, при этом шагами измеряя расстояние от места остановки до окончания склона горы LТ, а затем и общий путь L пройденный им (или отдельно длину разгона LР);
пятый этап – лыжник записывает опытные значения t, L, LТ и по формуле (4.33) находит абсолютного значения коэффициента трения о снег m. Понятно, что спортсмена мало интересует абсолютное значения коэффициента трения, поскольку для него гораздо важнее знать величину относительной эффективность смазки лыж.
Как видно из формулы (4.26) для экспериментального определения d не нужно знать высоту тестовой горки Н и, следовательно, нет необходимости измерять время t. Поэтому при проведении опытов для определения относительной эффективность смазки лыж на втором и третьем этапах нашей методики не требуется использовать секундомер и записывать время. Однако этапы с первого по четвертый повторяются несколько раз для различных лыж и различных смазок. Затем на пятом этапе кроме определения длины общего пути L до самого худшего результата (наименьшая длина выката), лыжник ступнями измеряет расстояния от отметки худшего результата до отметок всех остальных тестов DLi и по формуле (4.26) находит di. 4.3. План эксперимента и полученные результаты. 4.3.1. Условия проведения опытов. Как было отмечено во введении к данной исследовательской работе, задача эксперимента заключалась в определении как абсолютное значение коэффициента трения лыж о снег, так и относительную эффективность различных смазок скольжения в условиях сурового уральского климата: · при низких температурах - от минус 15°С и ниже · и высокой влажности воздуха – от 70% до 100%. Для тестирования были выбраны две следующие смазки скольжения: · импортный парафин SWIX HF4, для температур от -10°С до -32°С и высокой влажности воздуха, по цене порядка 1200 руб. за 40 г. (см. Рис. 4.2); · и отечественный парафин Луч HF5, для температур от -5°С до -25°С и влажности воздуха от 85-98%, по цене 250 руб. за 50 г. (в пять раз меньшей). Рис. 4.2 HF означает «High fluorocarbon» – мази с высоким содержанием фторорганики. В эксперименте использовались две пары лыж FISCHER RCS (топ модель) SkateCut (для конькового хода) Cold (для низких, менее -2°С температур): первая пара – модель сезона 2003/04, длина 187, stiff (высокой жесткости); вторая пара - модель сезона 2004/05, длина 192, medium (средней жесткости) (см. Рис. 4.3); Рис. 4.3. 4.3.2. Первая серия опытов. Первая серия опытов проводилась 30.01.06 с 19:00 до 21:00 на лыжной базе «СКА» (район Уктуса г. Екатеринбурга) при температуре воздуха -18°С и влажности 78%. Импортный парафин SWIX HF4 был нанесен на первую пару лыж (модель 2003/04), а отечественная смазка скольжения Луч HF5 - на вторую пару (модель 2004/05). Обе пары тестировал один лыжник. Опыты дублировались по три раза для каждой пары. В ходе этой первой серии экспериментов использовался спортивный секундомер «CASIO» 311Q04 и фиксировалось время проведения теста t. Расстояния L и LТ измерялись парами шагов, а разность в длине выката DL - размером ступни по лыжному ботинку. При этом пересчет на метры производился по следующим соотношениям: · 1 ступня = 0,3 м; · 1 пара шагов = 6 ступней = 6*0,3 = 1,8 м. Результаты опытов и рассчитанные значения абсолютных значений коэффициентов трения лыж о снег и относительной эффективности парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5 приведены в Табл. 4.1. Полученные в первой серии опытов абсолютные значений коэффициентов трения лыж о снег (0,04184 - для SWIX HF4 и 0,04218 – для Луч HF5) хорошо согласуются с приведенными на Рис. 2.1 известными значениями, такими как 0,035 для трибологической пары «дерево – лед». Это говорит о принципиальной работоспособности предложенной нами методики. Однако погрешность в определении абсолютных значений коэффициента трения (3…4%) не приемлема для оценки относительной эффективности смазок, имеющих примерно одинаковые характеристики и отличающихся друг от друга менее чем 1…3%. Таблица 4.1 Результаты первой серии опытов Условия тестирования Единица измерения 1 пара лыж, смазка - SWIX HF4 2 пара лыж, смазка - Луч HF5 Номер опыта i 1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 Времени тестирования t сек 31,11 31,77 31,72 31,66 31,19 31,33 Разность в длине выката DLij, от наихудшего результата для опыта 2.1, L2.1 = 62 пары шагов = 62*1,8 = 111,6 м ступней 4,0 2,5 3,0 0,0 1,5 3,0 м 1,20 0,75 0,90 0,00 0,45 0,90 Общая длина участков разгона и выката Lij= L2.1+DLij м 112,80 112,35 112,50 111,60 112,05 112,50 Среднее значение общей длины участков разгона и выката м 112,55 112,05 Относительная погрешность проведения опытов 0,40% 0,80% Относительная эффективность d парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5 по формуле (4.26) % 0,45% Длина участка торможения (выката) LТij при одинаковой длине участка разгона LР= 28 пар шагов = 50,4 м, LТij= Lij - LР м 62,40 61,95 62,10 61,20 61,65 62,10 Коэффициент трения по формуле (4.33) 0,0430 0,0412 0,0413 0,0414 0,0427 0,0424 Среднее значение коэффициента трения 0,04184 0,04218 Относительная погрешность проведения опытов 3,96% 3,06% Относительная эффективность парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5 % 0,80% Погрешность в определении эффективности смазки через разность в длине выката по формуле (4.26) существенно меньше (0,4…0,8%), чем через определение абсолютных значений коэффициента трения, однако и она достаточно высока для выявления отличий в работоспособности смазки не превышающих 1% .
Для того, что бы убедиться в значимом различии относительной эффективности парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5, нами была проведена вторая серия экспериментов, при планировании которой мы постарались максимально увеличить как количество параллельных опытов, так и условий их проведения. 4.3.3. Вторая серия опытов. Вторая серия опытов проводилась 01.02.06 с 19:00 до 20:00 так же на лыжной базе «СКА» при температуре воздуха -16°С и влажности 85%. Импортный парафин SWIX HF4 так же был нанесен на первую пару лыж (модель 2003/04), а отечественная смазка Луч HF5 - на вторую пару (модель 2004/05). Обе пары тестировали уже два лыжника (имеющих разную массу) при двух различных длинах участка разгона (с разной высоты тестовой горки). Опыты дублировались по пять раз для каждой пары, каждого лыжника и для каждой длины участка разгона. В ходе второй серии экспериментов секундомер не использовался, и время проведения теста t не фиксировалось, поскольку задача определения абсолютного значения коэффициента трении уже была решена в первой серии. Расстояние L измерялись, как и в первой серии, парами шагов, а разность в длине выката DL – размером ступни. Пересчет на метры производился по тем же соотношениям, что и в первой серии. Результаты опытов и рассчитанные значения относительной эффективности парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5 приведены в Табл. 4.2. и Табл. 4.3 Таблица 4.2 Результаты второй серии опытов при длине участка разгона LР = 50,4 м, Лыжник Единица измерения № А Б Условия тестирования SWIX HF4 Луч HF5 SWIX HF4 Луч HF5 Разность в длине выката DL от наихудшего результата LХ = 110 м ступней 1 7,0 0,0 8,0 12,0 2 13,0 0,5 18,0 13,5 3 18,0 15,5 22,0 15,0 4 20,0 18,0 23,0 18,0 5 21,0 18,2 23,5 18,0 м 1 2,1 0,0 2,4 3,6 2 3,9 0,2 5,4 4,1 3 5,4 4,7 6,6 4,5 4 6,0 5,4 6,9 5,4 5 6,3 5,5 7,1 5,4 Общая длина участков разгона и выката L м 1 112,1 110,0 112,4 113,6 2 113,9 110,2 115,4 114,1 3 115,4 114,7 116,6 114,5 4 116,0 115,4 116,9 115,4 5 116,3 115,5 117,1 115,4 Среднее значение общей длины участков разгона и выката м 114,7 113,1 115,7 114,6 Относительная погрешность проведения опытов 3,66% 4,83% 4,02% 1,57% Относительная эффективность d парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5 по формуле (4.26) 1,42% 0,94% Таблица 4.2 Результаты второй серии опытов при длине участка разгона LР = 86,4 м, Лыжник Единица измерения № А Б Условия тестирования SWIX HF4 Луч HF5 SWIX HF4 Луч HF5 Разность в длине выката DL от наихудшего результата LХ = 161 м ступней 1 10,5 0 19 6,5 2 10,5 3 18 8 3 10,5 6 19 15 4 10,5 9,5 19 17 5 12,5 14 30 25 м 1 3,2 0,0 5,7 2,0 2 3,2 0,9 5,4 2,4 3 3,2 1,8 5,7 4,5 4 3,2 2,9 5,7 5,1 5 3,8 4,2 9,0 7,5 Общая длина участков разгона и выката L м 1 164,2 161,0 166,7 163,0 2 164,2 161,9 166,4 163,4 3 164,2 162,8 166,7 165,5 4 164,2 163,9 166,7 166,1 5 164,8 165,2 170,0 168,5 Среднее значение общей длины участков разгона и выката м 164,3 163,0 167,3 165,3 Относительная погрешность проведения опытов 0,37% 2,58% 1,97% 3,36% Относительная эффективность d парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5 по формуле (4.26) 0,81% 1,22% Результаты второй серии опытов показывают, что погрешность в определении эффективности смазки через разность в длине выката по формуле (4.26), остается на уровне первой серии (0,37…4,83%), что не позволяет с полной уверенность говорить о большей эффективности парафина SWIX HF4 (0,81…1,42%).
Однако поскольку как в первой, так и во второй серии опытов SWIX HF4 в среднем вел себя несколько лучше, что, видимо, вполне можно говорить о его большей эффективности по сравнению с Луч HF5, но на величину не превышающую 0,5%. Много это, или мало? Можно привести следующие рассуждения. Смазка с эффективностью в 0,5% на дистанции 5 км может условно позволить лыжнику «укатиться» на 5 000 * 0,005 = 25 м дальше. При соревновательной скорости порядка 15км/ч (около 4 м/с) даст выигрыш в 25/4 » 6 сек. Для спортсменов мировой элиты лыжного спорта и биатлона это, по всей видимости, может и много. Однако для рядовых спортсменов и любителей лыжного спорта это отличие не значимо и поэтому вряд ли стоит тратить в 5 раз большие суммы на подготовку лыж с использованием таких дорогих парафинов, как SWIX HF4. Отечественные смазки типа Луч HF5 могут работать ни чуть не хуже.
Заключение Решая поставленные в данной работе задачи такие, как изучение основ трибологии, знакомство с видами трения, изучение взаимодействия лыж и снега, удалось разработать достаточно простую методику определения как абсолютного значение коэффициента трения лыж о снег, так и относительной эффективность различных смазок скольжения на основе наиболее распространенного способа тестирования лыж – по длине выката. Работоспособность данной методики была экспериментально проверена, и показано, что получаемые с помощь ее результаты для абсолютных значений коэффициента трения хорошо согласуются с известными величинами для таких трибологических парах, как «дерево – лед». Экспериментально найденные значения относительной эффективности парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5 в условиях сурового уральского климата при низких температурах и высокой влажности воздуха показывают что, вряд ли стоит тратить в 5 раз большие суммы на подготовку лыж с использованием дорогих импортных парафинов, таких как SWIX HF4. Отечественные смазки типа Луч HF5 в суровых уральских условиях могут работать ни чуть не хуже. Основные задачи, поставленные в рамках данной исследовательской работы, выполнены. Дальнейшим развитием выбранного направления может стать более точное тестирование лыж и смазок с использованием, например, таких современных приборов, как радары скорости.
Использованные источники. Перышкин А.В. Физика 7 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – 6-е изд., стериотип. – М.: Дрофа, 2002. – 192 с.: ил. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учеб. для 9 кл. сред. Шк. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 1994. – 192 с.: ил. Перышкин А.В. Физика 9 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений/ А.В. Перышкин, Е.М. Гутник . – 5-е изд., стериотип. – М.: Дрофа, 2002. – 256 с.: ил. Касьянов В.А. Физика 10 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – 5-е изд., дораб. – М.: Дрофа, 2003. – 416 с.: ил. Крагельский И. В., Виноградова И. Э. Коэффициенты трения. Справочное пособие. – 2-е изд. – М.: МАШГИЗ, 1962. – 220 с.: ил. Слободетский И.Ш. Сухое трение. Журнал «Квант», 1970, №1 с. 37-41. Нет Браун. Подготовка лыж. Полное руководство. : Пер. с анг. – Немцов А. – Мурманск, 2004. – 168 с. : ил. Ресурсы Интернет: http://www.tribo.ru/new/about.html - Журнал "Трение Износ Смазка" основан в 1999 году. Учредитель НПК "ВМПАВТО". Выходит 4 раза в год. http://www.abitura.com - Сайт для абитуриентов, для выпускников школы, для тех, кто собирается поступать в вузы, где требуется хорошее знание физики. http://www.krugosvet.ru/about.htm - Энциклопедия «Кругосвет». http://skisport.narod.ru/index.html - Беговые лыжи. Детский центр культуры и спорта «Южное Измайлово» http://xcski.narod.ru/ - Лыжный клуб «Обнинск» http://www.skisport.ru/ - Официальный сайт журнала «Лыжный спорт»