ხახუნი არის ფიზიკური ფენომენი, რომელსაც ადამიანი ებრძვის მის შესამცირებლად მექანიზმების ნებისმიერ მბრუნავ და სრიალ ნაწილებში, რომლის გარეშეც შეუძლებელია რომელიმე ამ მექანიზმის მოძრაობა. ამ სტატიაში განვიხილავთ, ფიზიკის თვალსაზრისით, რა არის მოძრავი ხახუნის ძალა.
რა ტიპის ხახუნის ძალები არსებობს ბუნებაში?
უპირველეს ყოვლისა, განიხილეთ რა ადგილი უჭირავს მოძრავი ხახუნის სხვა ხახუნის ძალებს შორის. ეს ძალები წარმოიქმნება ორი განსხვავებული სხეულის შეხების შედეგად. ეს შეიძლება იყოს მყარი, თხევადი ან აირისებრი სხეულები. მაგალითად, თვითმფრინავის ფრენას ტროპოსფეროში თან ახლავს ხახუნის არსებობა მის სხეულსა და ჰაერის მოლეკულებს შორის.
ექსკლუზიურად მყარი სხეულების გათვალისწინებით, ჩვენ გამოვყოფთ ხახუნის ძალებს დასვენების, სრიალისა და გორვაში. თითოეულმა ჩვენგანმა შეამჩნია: იმისათვის, რომ ყუთი იატაკზე დაძვრეს, საჭიროა გარკვეული ძალის გამოყენება იატაკის ზედაპირის გასწვრივ. იმ ძალის მნიშვნელობა, რომელიც გამოაქვს ყუთები მოსვენებიდან, აბსოლუტური მნიშვნელობით ტოლი იქნება დანარჩენი ხახუნის ძალის. ეს უკანასკნელი მოქმედებს ყუთის ძირსა და იატაკის ზედაპირს შორის.
როგორროგორც კი ყუთმა მოძრაობა დაიწყო, მუდმივი ძალა უნდა იქნას გამოყენებული ამ მოძრაობის ერთგვაროვანი შესანარჩუნებლად. ეს ფაქტი დაკავშირებულია იმასთან, რომ იატაკისა და ყუთის კონტაქტს შორის ამ უკანასკნელზე მოქმედებს მოცურების ხახუნის ძალა. როგორც წესი, ის რამდენიმე ათეული პროცენტით ნაკლებია სტატიკური ხახუნის მიმართ.
თუ ყუთის ქვეშ მყარი მასალის მრგვალ ცილინდრებს მოათავსებთ, მისი გადატანა ბევრად გაგიადვილდებათ. მოძრავი ხახუნის ძალა იმოქმედებს ცილინდრებზე, რომლებიც ბრუნავენ ყუთის ქვეშ მოძრაობის პროცესში. ის ჩვეულებრივ ბევრად უფრო მცირეა, ვიდრე წინა ორი ძალა. სწორედ ამიტომ, კაცობრიობის მიერ ბორბლის გამოგონება იყო უზარმაზარი ნახტომი პროგრესისკენ, რადგან ადამიანებს შეეძლოთ გაცილებით დიდი ტვირთის გადატანა მცირე ძალის გამოყენებით.
მოძრავი ხახუნის ფიზიკური ბუნება
რატომ წარმოიქმნება მოძრავი ხახუნა? ეს კითხვა ადვილი არ არის. მასზე პასუხის გასაცემად დეტალურად უნდა გავითვალისწინოთ რა ემართება ბორბალს და ზედაპირს მოძრავი პროცესის დროს. უპირველეს ყოვლისა, ისინი არ არიან იდეალურად გლუვი - არც ბორბლის ზედაპირი და არც ზედაპირი, რომელზეც ის მოძრაობს. თუმცა, ეს არ არის ხახუნის მთავარი მიზეზი. მთავარი მიზეზი არის ერთი ან ორივე სხეულის დეფორმაცია.
ნებისმიერი სხეულები, რაც არ უნდა მყარი მასალისგან იყოს დამზადებული, დეფორმირებულია. რაც უფრო დიდია სხეულის წონა, მით უფრო დიდია ის ზეწოლა, რომელიც მას ზედაპირზე ახორციელებს, რაც იმას ნიშნავს, რომ ის დეფორმირდება თავის თავს შეხების ადგილას და დეფორმირებს ზედაპირს. ეს დეფორმაცია ზოგიერთ შემთხვევაში იმდენად მცირეა, რომ არ აღემატება ელასტიურობის ზღვარს.
Bბორბლის გადახვევის დროს დეფორმირებული ადგილები ზედაპირთან კონტაქტის შეწყვეტის შემდეგ აღადგენს პირვანდელ ფორმას. მიუხედავად ამისა, ეს დეფორმაციები ციკლურად მეორდება ბორბლის ახალი რევოლუციით. ნებისმიერ ციკლურ დეფორმაციას, თუნდაც დრეკადობის ზღვარში იყოს, თან ახლავს ჰისტერეზი. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, მიკროსკოპულ დონეზე სხეულის ფორმა დეფორმაციამდე და დეფორმაციის შემდეგ განსხვავებულია. ბორბლის გადახვევის დროს დეფორმაციის ციკლების ჰისტერეზი იწვევს ენერგიის „დისპერსიას“, რაც პრაქტიკაში ვლინდება მოძრავი ხახუნის ძალის გამოჩენის სახით.
Perfect Body Rolling
იდეალური სხეულის ქვეშ ამ შემთხვევაში ვგულისხმობთ, რომ ის არადეფორმირებადია. იდეალური ბორბლის შემთხვევაში, ზედაპირთან მისი კონტაქტის არე არის ნული (ის ეხება ზედაპირს ხაზის გასწვრივ).
მოდით დავახასიათოთ ძალები, რომლებიც მოქმედებენ არადეფორმირებულ ბორბალზე. პირველ რიგში, ეს არის ორი ვერტიკალური ძალა: სხეულის წონა P და დამხმარე რეაქციის ძალა N. ორივე ძალა გადის მასის ცენტრში (ბორბლის ღერძი), ამიტომ ისინი არ მონაწილეობენ ბრუნვის შექმნაში. მათთვის შეგიძლიათ დაწეროთ:
P=N
მეორე, ეს არის ორი ჰორიზონტალური ძალა: გარე ძალა F, რომელიც უბიძგებს ბორბალს წინ (ის გადის მასის ცენტრში) და მოძრავი ხახუნის ძალა fr. ეს უკანასკნელი ქმნის ბრუნვას M. მათთვის შეგიძლიათ დაწეროთ შემდეგი ტოლობები:
M=frr;
F=fr
აქ r არის ბორბლის რადიუსი. ეს თანასწორობები შეიცავს ძალიან მნიშვნელოვან დასკვნას. თუ ხახუნის ძალა fr უსასრულოდ მცირეა, მაშინ ისმაინც შექმნის ბრუნვას, რომელიც გამოიწვევს ბორბლის მოძრაობას. ვინაიდან გარე ძალა F უდრის fr, მაშინ F-ის ნებისმიერი უსასრულოდ მცირე მნიშვნელობა გამოიწვევს ბორბლის გადახვევას. ეს ნიშნავს, რომ თუ მოძრავი სხეული იდეალურია და მოძრაობისას არ განიცდის დეფორმაციას, მაშინ არ არის საჭირო რაიმე მოძრავი ხახუნის ძალაზე საუბარი.
ყველა არსებული სხეული რეალურია, ანუ განიცდის დეფორმაციას.
ნამდვილი სხეულის მოძრავი
ახლა განიხილეთ ზემოთ აღწერილი სიტუაცია მხოლოდ რეალური (დეფორმირებადი) სხეულების შემთხვევაში. ბორბალსა და ზედაპირს შორის კონტაქტის არე აღარ იქნება ნული, მას ექნება გარკვეული სასრული მნიშვნელობა.
მოდი გავაანალიზოთ ძალები. დავიწყოთ ვერტიკალური ძალების მოქმედებით, ანუ საყრდენის წონით და რეაქციით. ისინი მაინც ტოლები არიან ერთმანეთის, ანუ:
N=P
თუმცა, ძალა N ახლა მოქმედებს ვერტიკალურად ზემოთ, არა ბორბლის ღერძის გავლით, არამედ ოდნავ გადაადგილებულია მისგან d მანძილით. თუ ბორბლის ზედაპირთან შეხების ფართობი წარმოვიდგენთ მართკუთხედის ფართობად, მაშინ ამ მართკუთხედის სიგრძე იქნება ბორბლის სისქე, ხოლო სიგანე უდრის 2დ..
ახლა გადავიდეთ ჰორიზონტალური ძალების განხილვაზე. გარე ძალა F მაინც არ ქმნის ბრუნს და უდრის ხახუნის ძალას fr აბსოლუტურ მნიშვნელობაში, ანუ:
F=fr.
ბრუნამდე მიმავალი ძალების მომენტი შექმნის ხახუნს fr და საყრდენის რეაქციას N. უფრო მეტიც, ეს მომენტები მიმართული იქნება სხვადასხვა მიმართულებით. შესაბამისი გამოთქმა არისტიპი:
M=Nd - frr
ერთგვაროვანი მოძრაობის შემთხვევაში, მომენტი M იქნება ნულის ტოლი, ამიტომ მივიღებთ:
Nd - frr=0=>
fr=d/rN
ბოლო ტოლობა, ზემოთ დაწერილი ფორმულების გათვალისწინებით, შეიძლება გადაიწეროს შემდეგნაირად:
F=d/rP
ფაქტობრივად, ჩვენ მივიღეთ მოძრავი ხახუნის ძალის გაგების მთავარი ფორმულა. შემდგომ სტატიაში გავაანალიზებთ მას.
მოძრავი წინააღმდეგობის კოეფიციენტი
ეს კოეფიციენტი უკვე დანერგილია ზემოთ. გეომეტრიული ახსნაც მიეცა. საუბარია d-ის მნიშვნელობაზე. ცხადია, რაც უფრო დიდია ეს მნიშვნელობა, მით უფრო დიდი მომენტი იქმნება საყრდენის რეაქციის ძალას, რომელიც ხელს უშლის ბორბლის მოძრაობას.
მოძრავი წინააღმდეგობის კოეფიციენტი d, სტატიკური და მოცურების ხახუნის კოეფიციენტებისგან განსხვავებით, არის განზომილებიანი მნიშვნელობა. იგი იზომება სიგრძის ერთეულებში. ცხრილებში ის ჩვეულებრივ მოცემულია მილიმეტრებში. მაგალითად, ფოლადის რელსებზე მოძრავი მატარებლის ბორბლებისთვის, d=0,5 მმ. d-ის მნიშვნელობა დამოკიდებულია ორი მასალის სიმტკიცეზე, ბორბალზე დატვირთვაზე, ტემპერატურაზე და სხვა ფაქტორებზე.
მოძრავი ხახუნის კოეფიციენტი
არ აურიოთ იგი წინა კოეფიციენტში d. მოძრავი ხახუნის კოეფიციენტი აღინიშნება სიმბოლოთი Cr და გამოითვლება შემდეგი ფორმულით:
Cr=დ/რ
ეს ტოლობა ნიშნავს, რომ Cr არის განზომილებიანი. ეს არის ის, ვინც მოცემულია რიგ ცხრილებში, რომლებიც შეიცავს ინფორმაციას ხახუნის განხილული ტიპის შესახებ. ეს კოეფიციენტი მოსახერხებელია პრაქტიკული გამოთვლებისთვის,რადგან ის არ გულისხმობს ბორბლის რადიუსის ცოდნას.
Cr-ის მნიშვნელობა უმეტეს შემთხვევაში ნაკლებია ხახუნისა და დასვენების კოეფიციენტებზე. მაგალითად, ასფალტზე მოძრავი მანქანის საბურავებისთვის, Cr არის რამდენიმე ასეულის ფარგლებში (0,01 - 0,06). თუმცა, ის მნიშვნელოვნად იზრდება ბალახზე და ქვიშაზე საბურავების გაშვებისას (≈0.4).
მიღებული ფორმულის ანალიზი ძალის fr
მოდით ისევ დავწეროთ ზემოთ მოყვანილი ფორმულა მოძრავი ხახუნის ძალისთვის:
F=d/rP=fr
თანასწორობიდან გამომდინარეობს, რომ რაც უფრო დიდია ბორბლის დიამეტრი, მით ნაკლები ძალა F უნდა იქნას გამოყენებული, რათა მან მოძრაობა დაიწყოს. ახლა ჩვენ ვწერთ ამ ტოლობას Cr კოეფიციენტის მეშვეობით, გვაქვს:
fr=CrP
როგორც ხედავთ, ხახუნის ძალა სხეულის წონის პირდაპირპროპორციულია. გარდა ამისა, P წონის მნიშვნელოვანი მატებასთან ერთად, თავად იცვლება კოეფიციენტი Cr (ის იზრდება d-ის ზრდის გამო). უმეტეს პრაქტიკულ შემთხვევებში Cr დევს რამდენიმე მეასედში. თავის მხრივ, მოცურების ხახუნის კოეფიციენტის მნიშვნელობა რამდენიმე მეათედშია. ვინაიდან მოძრავი და მოცურების ხახუნის ძალების ფორმულები ერთნაირია, გორვა სასარგებლოა ენერგეტიკული თვალსაზრისით (ძალა fr არის სიდიდის რიგით ნაკლები, ვიდრე მოცურების ძალა ყველაზე პრაქტიკული სიტუაციები).
მოძრავი მდგომარეობა
ბევრ ჩვენგანს გამოუცდია მანქანის ბორბლების ცურვის პრობლემა ყინულზე ან ტალახზე მოძრაობისას. Რატომ არის ესხდება? ამ კითხვაზე პასუხის გასაღები მდგომარეობს მოძრავი და დასვენების ხახუნის ძალების აბსოლუტური მნიშვნელობების თანაფარდობაში. მოდით კიდევ ერთხელ ჩამოვწეროთ მოძრავი ფორმულა:
F ≧ CrP
როცა ძალა F მეტია ან ტოლია მოძრავი ხახუნის, მაშინ ბორბალი დაიწყებს გორვას. თუმცა, თუ ეს ძალა უფრო ადრე აჭარბებს სტატიკური ხახუნის მნიშვნელობას, მაშინ ბორბალი უფრო ადრე სრიალდება, ვიდრე მისი გორვა.
ამგვარად, სრიალის ეფექტი განისაზღვრება სტატიკური ხახუნის და მოძრავი ხახუნის კოეფიციენტების თანაფარდობით.
მანქანის ბორბლების ცურვის წინააღმდეგ ბრძოლის გზები
მანქანის ბორბლის მოძრავი ხახუნი მოლიპულ ზედაპირზე (მაგალითად, ყინულზე) ხასიათდება კოეფიციენტით Cr=0,01-0,06. თუმცა, მნიშვნელობები იგივე რიგი დამახასიათებელია სტატიკური ხახუნის კოეფიციენტისთვის.
ბორბლების გადაცურვის საფრთხის თავიდან ასაცილებლად გამოიყენება სპეციალური "ზამთრის" საბურავები, რომლებშიც ხრახნიან ლითონის წვერები. ეს უკანასკნელი ყინულის ზედაპირს ეჯახება, ზრდის სტატიკური ხახუნის კოეფიციენტს.
სტატიკური ხახუნის გაზრდის კიდევ ერთი გზა არის ზედაპირის შეცვლა, რომელზეც მოძრაობს ბორბალი. მაგალითად, ქვიშის ან მარილის მოყრით.
