Реферат: Трибология лыжных гонок

Управлениеобразования Администрации г. Екатеринбурга

Управлениеобразования Администрации Кировскогорайона г. Екатеринбурга

Негосударственноеобразовательное учреждение СОШ «Индра»

Трибология лыжных гонок

Исследовательская работа

Направление:

научно-техническое

Исполнитель,

ученик 9 класса

Ю. А. Бондин

Учитель физики СОШ «Индра»

М. Ю. Бондина

Руководитель,

директор по развитию

ЗАО «Адаптируемые Прикладные Системы»,

к.т.н., доцент

А. Р. Бондин

г. Екатеринбург

2006 г.

Содержание

TOC o «1-3» h z u Введение.PAGEREF _Toc126746719 h3

1. История трибологии.PAGEREF _Toc126746720 h4

1.1. Доисторическая эпоха (до 3500 года до н.э.).PAGEREF _Toc126746721 h 4

1.2. Ранняя цивилизация (после 3500 года до н.э..).PAGEREF _Toc126746722 h 4

1.3. Греко-римская эпоха (900 г. до н.э. — 400 н.э.).PAGEREF _Toc126746723 h 6

1.4. Средневековая эпоха (400 г. н.э. — 1450 г.).PAGEREF _Toc126746724 h 7

1.5. Эпоха Возрождения (1450-1600).PAGEREF _Toc126746725 h 8

1.6. Эпоха начала промышленной революции (1600-1750 гг.)PAGEREF _Toc126746726 h 11

1.7. Период технической революции (1750-1850 гг.).PAGEREF _Toc126746727 h 12

1.8. 75 лет технического прогресса (1850-1925 гг.).PAGEREF _Toc126746728 h 14

1.9. Эпоха трибологии — с 1925 года по настоящее время.PAGEREF _Toc126746729 h 16

2. Виды трения.PAGEREF _Toc126746730 h 17

2.1 Сухое трение и трение покоя.PAGEREF _Toc126746731 h 17

2.2. Граничное трение.PAGEREF _Toc126746732 h 21

2.3. Износ.PAGEREF_Toc126746733 h 22

2.4. Жидкостное трение.PAGEREF _Toc126746734 h 22

2.5. Трение качения.PAGEREF _Toc126746735 h 24

3. Лыжи и трение.PAGEREF _Toc126746736 h 25

3.1 Характеристики снега.PAGEREF _Toc126746737 h 25

3.1.1. Очень холодный снег.PAGEREF _Toc126746738 h 25

3.1.2. Холодный и «средний» снег.PAGEREF _Toc126746739 h 25

3.1.3. «Нулевой» снег.PAGEREF _Toc126746740 h 25

3.1.4. Выше нуля. PAGEREF_Toc126746741 h 26

3.1.5. Грязь.PAGEREF_Toc126746742 h 26

3.1.6. Укатка лыжни и «старение». PAGEREF _Toc126746743 h 26

3.1.7. Типы снега.PAGEREF _Toc126746744 h 27

3.2. Как работает мазь держания.PAGEREF _Toc126746745 h 27

3.2. Как работает мазь скольжения.PAGEREF _Toc126746746 h 30

3.2.1. Упругость кристалла.PAGEREF _Toc126746747 h 30

3.2.2. Контролируемое трение.PAGEREF _Toc126746748 h 30

3.2.3. Поверхностное натяжение.PAGEREF _Toc126746749 h 32

3.2.4. Сухая смазка и добавки.PAGEREF _Toc126746750 h 32

3.2.5. Отталкивание грязи.PAGEREF _Toc126746751 h 33

3.3. Подготовка лыж.PAGEREF _Toc126746752 h 34

3.3.1. Инструменты. PAGEREF _Toc126746753 h 34

3.3.2. Этапы подготовки лыж.PAGEREF _Toc126746754 h 35

3.4. ТЕСТИРОВАНИЕ ЛЫЖ И СКОЛЬЖЕНИЯ.PAGEREF _Toc126746755 h 39

3.4.1. Радары скорости.PAGEREF _Toc126746756 h 40

3.4.2. Тест на длину выката.PAGEREF _Toc126746757 h 41

3.4.3. Тест на «соревновательное» скольжение.PAGEREF _Toc126746758 h 41

3.4.4. Субъективное тестирование.PAGEREF _Toc126746759 h 42

3.4.5. Простые варианты тестов.PAGEREF _Toc126746760 h 42

3.4.6. Передовые методы тестирования скольжения. PAGEREF _Toc126746761 h 43

3.4.7. Другие методы. PAGEREF _Toc126746762 h 44

4. Экспериментальное изучение коэффициента трения.PAGEREF _Toc126746763 h45

4.1. Физические основы теста на длину выката.PAGEREF _Toc126746764 h 45

4.2. Методика проведения опытов.PAGEREF _Toc126746765 h 49

4.3. План эксперимента и полученные результаты.PAGEREF _Toc126746766 h 50

4.3.1. Условия проведения опытов.PAGEREF _Toc126746767 h 50

4.3.2. Первая серия опытов.PAGEREF _Toc126746768 h 51

4.3.3. Вторая серия опытов.PAGEREF _Toc126746769 h 53

Заключение. PAGEREF _Toc126746770 h55

Использованные источники.PAGEREF _Toc126746771 h56

Введение.

Лыжи — одно из самых древних и самых остроумных изобретенийчеловека. Катание на них — это совершенно особое удовольствие, причем длякаждого оно свое — кто-то неспешно бродит на них по заснеженному лесу, кто-толюбит их за азарт, проявляющийся во время гонок по отполированной лыжне,кому-то нет покоя до тех пор, пока не появится возможность пронестись сзахватывающей дух высоты горы вниз, а кого-то хлебом не корми — дай попрыгать страмплина.

Это, казалось бы, совсем нехитрое приспособление, стечением времени совершенствуясь, все более и более, сегодня стало продуктомновейших технологий. И, прежде всего потому, что в определенное время лыжистали популярнейшим спортивным «снарядом», с помощью которого можно былодоказать, что человек, виртуозно владеющий ими, способен достигать самыхнемыслимых рекордов. Шутка ли сказать, что, встав на лыжи последнего образца ипредварительно облачившись в аэродинамический костюм, лыжник может спуститься сгоры, развив скорость, равную 248 км/час!

Изначальнолыжи были деревянные, изготавливались из цельных досок и не блистали внешнимвидом. С началом развития лыжного спорта и технической революции на рубеже XIX— XX веков лыжи видоизменились. Помимо изменения пропорций, они сталиизготавливаться из нескольких частей, для их изготовления стали применятьсястанки, появились лыжные фабрики. Это положение вещей сохранялось до появленияпластических материалов, или пластика. Некоторые пластические материалыобладают свойствами, полезными для лыж — не намокают, к ним не прилипает снег,лучше скольжение. Так появились сначала лыжи с пластиковым покрытием, потомцеликом пластиковые лыжи. В настоящее время внутренне устройство лыж может бытьвесьма сложным — индустрия спорта и производства спортинвентаря вкладываетбольшие деньгив научные исследования. В современных лыжах применяются различные видыпластика, древесины, композитных материалов, сплавов.

Занятия лыжнымспортом, так же как лыжные прогулки и походы, невозможно представить без лыжныхсмазок. В настоящее время ведущие фирмы выпускают большое количество различныхмазей и парафинов, что человеку, далекому от лыжного спорта, порой не просторазобраться, что к чему. Существует много критериев выбора смазки, но всестарания ведутся к тому, чтобы снизить коэффициент силы трения. Смазчики(сервисмены) ведут непрерывную работу над увеличением длины выката. Они по дваи более часа готовят одну пару лыж, а потом столько же их тестируют. Работа сервисменовв лыжных соревнованиях никогда не заканчивается.

Я увлекаюсьлыжным спортом, регулярно смотрю этапы чемпионата мира и болею за российскуюсборную по биатлону (особенно за ее ветерана, нашего земляка — СергеяЧепикова). Я взялся за эту исследовательскую работу, потому что мне было оченьинтересно узнать, почему у спортсменов одной сборной лыжи «катят» хорошо а удругой плохо. Существует множество факторов успеха в лыжных гонках и биатлоне: самилыжи, палки, обмундирование, физическая выносливость, тренированность лыжника имногое другое. Но темой данного реферата является изучение трибологическихсвойств лыж и смазок, поскольку именноони, при прочих равных условиях, определяют результат гонки.

Для этого былипоставлены следующие цели: изучить основы трибологии, рассмотреть виды трений, понятьвзаимодействие лыж и снега и экспериментально определить как абсолютноезначение коэффициента трения лыж о снег, так и относительную эффективностьразличных смазок скольжения в условиях сурового уральского климата (низкихтемператур и высокой влажности воздуха).

1. История трибологии.

Трение можетбыть полезным и вредным — эту аксиому человек освоил еще на заре цивилизации.Ведь два самых главных изобретения — колесо и добывание огня — связаны именносо стремлением уменьшить и увеличить эффекты трения. Однако понимание природытрения 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 изгреческих слов «трибос» — трение и «логос» — наука. Трибология как научнаядисциплина охватывает экспериментально-теоретические исследования физических(механических, электрических, магнитных, тепловых), химических, биологических идругих явлений, связанных с трением. Применительно к лыжным гонкам трибология однаиз главных наук, используемых при проектировании новых смазок и скользящейповерхности лыж.

В историюизучения силы трения можно выделить несколько этапов, связанных с общим развитиемчеловечества.

1.1. Доисторическая эпоха (до 3500 года дон.э.).

Некоторыетрибологические законы человек узнал и научился использовать очень давно.Человек палеолита, добывая огонь, использовал явление преобразования работытрения огнива, т. е. приспособления из кремния, дерева или железа, в теплоту,которая служила ему для разведения огня.

Трибологическиеэлементы в этой эпохе, также известной как «Каменный век», возможно,ограничивались примитивными полостями в камне и дереве.

Какие либоизобразительные (в виде рисунков) доказательства этого недоступны. Вероятно,битум использовался, чтобы избежать скрипа в движущихся контактах.

Явления тренияиспользовались также при перемещении тяжелых предметов, их транспортировали насанях, которые тянули люди или животные, преодолевая, таким образом,сопротивление трения скольжения. Оно требовало только 30—40 % силы, необходимойдля переноски этих предметов.

1.2. Ранняя цивилизация (после 3500 года до н.э..).

Существуетнесколько оставшихся изображений (рисунков) подшипников скольжения,датированных той эпохой. Например:

Каменныйкарман для нижней оси двери храма (Ассирия, приблизительно 2500 лет до н.э.)(Рис.1.1).

Рис.1.1

ТранспортировкаЕгипетского каменного колосса с использованием деревянных салазок, доказывающихпервое применение смазочного материала в трибологических целях (Египет,примерно 2400 год до н.э.) (Рис.1.2).

Рис.1.2

Расчет трениядоказывает то, что между полозьями салазок и деревянными болванами былаприменена смазка. Существуют некоторые предположения относительно типасмазочного материала: вода, грязь, ил из Нила, в который добавили оливковоемасло.

Колеса, ободыкоторых ошипованы медными гвоздями для уменьшения износа (Рис.1.3).

Рис.1.3

Винтовыезубчатые колеса в устройстве для обработки хлопка (Индия) (Рис.1.4).

Рис.1.4

В ДревнемЕгипте для снижения трения использовали круглые деревянные катки. За счет этогозначительно снижалась сила, необходимая для перемещения тяжелых конструктивныеэлементов древних строений, поскольку трение скольжения заменялось трениемкачения. В некоторых случаях трущиеся элементы смазывались маслом дляуменьшения сопротивления трения, потому что внешнее трение твердых телзаменялось внутренним трением жидкости. Накопленный опыт замены тренияскольжения 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 эпохахарактеризуется развитием в области радиальных подшипников и зубчатых передач,а также первых конструкций роликовых подшипников.

Имеетсянесколько примеров, показывающих уровень развития узлов трения в то время:

Деревянныедиффференциальные передачи в знаменитой «указывающей на юг» колеснице(Китай, примерно 255 год до н.э.) (Рис.1.5).

Рис.1.5

Железныекольца (втулки) в деревянных рамах, чтобы избежать трение железного вала подереву и, как следствие, большего износа (Рис.1.6).

Рис.1.6

ПередачаАрхимеда со всеми элементами червячной передачи (3 век до н.э.).

Роликовыеподшипники для вращающихся платформ на Римских судах на озере Неми (примерно 50год н.э.).

Фрагментыупорного шарикоподшипника (бронзовые шары перекатывались по деревяннойплатформе) (Рис.1.7).

Рис.1.7

Фрагментыупорного подшипника с коническими (суживающиеся к концу) роликами (деревянныеролики по деревянной платформе) (Рис.1.8).

Рис.1.8

Всеприменявшиеся тогда методы сводились к усовершенствованию конструкцииподшипников скольжения и снижению сопротивления трения скольжения. Подшипникискольжения смазывались. Совершенствовались смазывающие свойства масел путемустановления такой консистенции и адгезии, чтобы смазочный материал долгоевремя находился в зоне трения. Растительные масла имеют малую вязкость, ипоэтому, стекая, они недолго смазывают зоны трения скольжения, кроме того, онибыстро высыхают. В связи с этим их стали сгущать и постепенно заменятьживотными жирами.

Существуютописания производства битума и легкого масла из сырой нефти. Для установкипоршней в водяные насосы наносились тонкие масляные пленки для облегчения этогопроцесса

Оси повозоксмазывали также разного рода мазями из древесной смолы. Такие мази получали ииз «выкипяченной» долгим нагреванием нефти. Это подтверждается результатамиархеологических исследований гробниц древних правителей, в которых на осях ихколесниц найдены остатки смазки из животных жиров, сгущенных минеральнымиприсадками. Температура плавления этих веществ около 50°С. В архивах имеетсяперечень растительных масел и животных жиров, использовавшихся для смазывания,составленный Плинием-старшим (23—73 гг. нашей эры).

Известно, чтопри определенном сочетании материалов в узлах трения, трение и износ могут бытьуменьшены. Также было известно, что применение масляных пленок уменьшаеттрение.

1.4.Средневековая эпоха (400 г. н.э. — 1450 г.).

В течениеэтого долгого периода времени едва ли произошли какие-либо усовершенствованияэлементов машин. Эта эпоха может характеризоваться как период стагнации.Вероятно, можно заметить некоторые усовершенствования в выборе материалов.Несколько примеров:

Валыразмалывающих камней с зубчатыми передачами (мельница в Бокеле, примерно 1200год) (Рис.1.9).

Рис.1.9

Часовоймеханизм средневековых часов собора в Уэлсе с металлическими зубчатымипередачами 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 человекво всем талантлив, но лишь немногие гении были гениальны во всем, что бы они ниделали, и, пожалуй, за всю историю человечества только один человек — Леонардода Винчи заслуживает звания абсолютно универсального гения. Как художник,скульптор и инженер он превосходил своих современников. Как ученый он обогналсвою эпоху на века. Среди бесчисленных научных достижений и первая формулировказаконов трения. Он ещё в 1519 утверждал, что сила трения, возникающая приконтакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна нагрузке (силеприжима), направлена против направления движения и не зависит от площадиконтакта.

Эта эпохахарактеризуется трудностями в реализации новых теоретических знаний напрактике. Некоторые примеры такой ситуации:

Примитивные радиальныеподшипники в зубчатых передачах механизмов водяных насосов (примерно 1500 год)(Рис.1.12).

Рис.1.12

Но некоторыйпрогресс может быть отмечен: часовой механизм собора в Юберлингене (1549) (Рис.1.13).

Рис.1.13

Новыхсмазочных материалов не создавалось, но Леонардо да Винчи обнаружил, что трениеможет быть уменьшено применением доступных растительных и животных масел.

Сначаласмазывание было разовым или периодическим, потом появились масляные ванны длясмазывающие колец.

Леонардо даВинчи занимался многими вопросами деталей машин, трения и износа. В процессесвоих исследований он обнаружил, что существует соотношение между нагрузкой исилой трения. Он также определили первые законы сухого трения, суть которых вследующем:

·

Применяя эти результаты онустановил:

·

В его альбоме мы находим примеры:

Упрощенной формы сепараторароликового подшипника (Рис.1.14).

Рис.1.14

Эскизы для упорных шариковыхподшипников и роликовых подшипников с коническими телами качения.

Эскиз зубчатойпередачи 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 натему трения твердых тел обнаружены в записях Леонардо да Винчи, датируемыхвторой половиной XV в., в них много правильных утверждений, подкрепленныхрасчетами, например, указано на пропорциональность сопротивления трениянагрузке на трущиеся поверхности тел и на то, что тела с шероховатойповерхностью имеют большее сопротивление трения. Таким образом, закон, согласнокоторому сила трения прямо пропорциональна нагрузке был открыт Леонардо даВинчи, считавшим, что коэффициент трения обычно равен 0,25.

Работы Леонардо да Винчи были забыты, и трением снова сталиинтересоваться в рамках развития других наук спустя почти два столетия. И.Ньютон сформулировал закон, определяющий зависимость между сопротивлениемвнутреннего трения жидкости и силой, необходимой для преодоления этогосопротивления.

1.6.Эпоха начала промышленной революции (1600-1750 гг.)

Этот периодохарактеризовался замечательными достижениями в конструировании подшипников изубчатых передач. Примеры этого следующие:

Определениеэвольвенты зубчатого колеса и геометрических принципов зубчатых зацеплений Хьюгенсом(1665), де ла Найэром (1694) и Леопольдом.

Механизм дляоткрывания дверей с червячными передачами и коническими подшипниками (17 век)(Рис.1.16).

Рис.1.16

Подшипники длястаночного инструмента с разделенными регулируемыми подшипиковыми блоками длякомпенсации износа (Плюмис, 1701 год) (Рис.1.17).

Рис.1.17

Однако все ещенаходили некоторое применение деревянные зубчатые передачи.

Новыесмазочные материалы не разрабатывались, однако применение известных становитсявсе более важным.

В китайскихпубликациях за 1637 год мы можем прочесть что «одна капля масла вподшипник делает повозку, а тысяча капель — корабль, готовым кэксплуатации».

Многиеисследователи осознали, что свиной жир (Амонтон, де ла Найар) и растительныемасла могут использоваться как смазочные материалы.

Все больше ибольше ученых вовлекаются в разработку теорий трения и изнашивания. Вотнекоторые примеры:

·

m.
1.7.Период технической революции (1750-1850 гг.).

Опять этотпериод характеризуется улучшением в понимании функционирования элементов идеталей машин, что и привело к более совершенным их конструкциям, это эраДжеймса Ватта.

Примерызубчатых зацеплений:

Зубчатыепередачи для машины прокатки листового металла (1758) (Рис.1.18).

Рис.1.18

Механизмы,сконструированные Джеймсом Ваттом (1781) (Рис.1.19).

Рис.1.19

Примерырадиальных подшипников:

Предложениеконструкции 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

Примерыроликовых подшипников:

Ранний вариантроликового подшипника флюгера зала Независимости в Филадельфии (1770) (Рис.1.22).

Рис.1.22

Шарикоподшипникколеса с максимальным количеством шаров для увеличения несущей способности безвнутреннего кольца и сепаратора (Патент Вогана, 1794) (Рис.1.23).

Рис.1.23

В этот периоддля применения были доступны несколько видов животных, растительных иминеральных масел, также как и твердых смазочных материалов. Было выданонесколько патентов на смазочные композиции (формула смазочного материала).Примеры следующие:

·

Снова развитиефундаментальных основ науки о трении и изнашивании может быть охарактеризованоперечислением выдающихся ученых того времени и их достижений:

·

1.8.75 лет технического прогресса (1850-1925 гг.).

Тогда как всееще довольно примитивные конструкции применялись для подшипников и зубчатыхпередач, а также выбор материалов был очень простым, некоторые значительныеусовершенствования могли быть отмечены:

Смазываемыйводой радиальный подшипник для буксы, сконструированный Артсом (1860) (Рис.1.24).

Рис.1.24

Роликовыйподшипник, сконструированный Вингквистом, основателем СКФ. Шарикоподшипник ссаморегулируемым угловым контактом (Рис.1.25).

Рис.1.25

Зубчатаяпередача для первого электрического локомотива, сконструированная Сименсом(1879) (Рис.1.26).

Рис.1.26

Ведущаяшестерня главной передачи для автомобиля (1902) (Рис.1.27).

Рис.1.27

В областисмазочных материалов были сделаны следующие достижения:

Растительные иживотные масла интенсивно вытеснялись минеральными маслами.

Наиболеехарактерными для практического применения были следующие смазочные масла,полученные дистилляцией (перегонкой) и очисткой (1916): легкое и тяжелоеверетённое масло; компрессорное масло; легкие и тяжелые машинные масла; очищенныецилиндровые масла.

Первыеприсадки в масло: диспергированный графит, эмульгаторы; компоненты, повышающиевязкость.

Известныеученые, инженеры и трибологи исследовали соотношение между трением, износом исмазкой, особенно применительно к радиальным подшипникам. Наиболее важноеоткрытие было сделано Б. Тауэром в 1885 г., который обнаружил развитиегидродинамического давления в радиальных подшипниках. Это открытие привело куспехам в конструировании и эксплуатации подшипников.

Вот рядзнаменитых имен:

·

1.9.Эпоха трибологии — с 1925 года по настоящее время.

Этот периодвремени будет освещен очень кратко. Если попытаться оценить все важнейшиедостижения 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 узловтрения) и они требуют отдельной главы или статьи.

Подшипники изубчатые передачи получили дальнейшее развитие путем внедрения теоретическихразработок в практику. Этот процесс происходил на основе оптимизации узловтрения, выбора материалов, обработки поверхностей и смазки. Как следствие,возросли ресурс и межремонтные периоды эксплуатации механизмов и оборудования.

Для этогопериода характерны следующие особенности:

·

Необходимовыделить 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 настоящеевремя трибология признана всеми. Как отдельный предмет она преподается вомногих высших и средних учебных заведениях и на курсах повышения квалификации.Созданы специализированные исследовательские центры, во многих институтахприбологические проблемы являются одним из важнейших направлений исследований.

Выпущенобольшое количество книг по трибологии и триботехнике, выходятспециализированные периодические издания. Во многих странах действуют научныетрибологические общества. Организуются национальные и международные конгрессы,конференции и симпозиумы.

Огромноезначение трибологии и триботехники способствует быстрому их развитию, обучениютрибологов всех уровней, росту количества публикаций и созданиюисследовательских трибологических центров.

2. Виды трения.

С трением мысталкиваемся на каждом шагу. Вернее было бы сказать, что без трения мы и шагуступить не можем. Но, несмотря на ту большую роль, которую играет трение внашей жизни, до сих пор не создана достаточно полная картина возникновениятрения, и вопрос этот остается неясным. Это связано даже не с тем, что трениеимеет сложную природу, а скорее с тем, что опыты с трением очень чувствительнык обработке поверхности и поэтому трудно воспроизводимы. Во