Рефераты, курсовые. Учебные работы для всех учащихся.

Трибология лыжных гонок

Трибология лыжных гонок

Екатеринбурга Негосударственное образовательное 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 h 3 1. История трибологии. PAGEREF _Toc126746720 h 4 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 h 45 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 h 55 Использованные источники. PAGEREF _Toc126746771 h 56 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: · · · Применяя эти результаты он установил: · · · 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: · · · · 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: · · · Снова развитие фундаментальных основ науки о трении и изнашивании может быть охарактеризовано перечислением выдающихся ученых того времени и их достижений: · · · · · 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: · · · · · · · 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: · · · · 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: · трение покоя; · трение скольжения. · 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= m N, 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 = m N. 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 m N, 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 под готовки 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 ката лись, мы все чаще и чаще сталкиваемся с грязным снегом, и п оэтому 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: · · · · 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.