Трибология лыжных гонок

Управление образования Администрации г. Екатеринбурга

Управление образования Администрации  Кировского района г. Екатеринбурга

Негосударственное образовательное учреждение СОШ «Индра»

Трибология лыжных гонок

Исследовательская работа

г. Екатеринбург

2006 г.

Содержание

Введение. 3

1. История трибологии. 4

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

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

1.3. Греко-римская эпоха (900 г. до н.э. - 400 н.э.). 6

1.4. Средневековая эпоха (400 г. н.э. - 1450 г.). 7

1.5. Эпоха Возрождения (1450-1600). 8

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

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

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

1.9. Эпоха трибологии - с 1925 года по настоящее время. 16

2. Виды трения. 17

2.1 Сухое трение и трение покоя. 17

2.2. Граничное трение. 21

2.3. Износ. 22

2.4. Жидкостное трение. 22

2.5. Трение качения. 24

3. Лыжи и трение. 25

3.1 Характеристики снега. 25

3.1.1. Очень холодный снег. 25

3.1.2. Холодный и "средний" снег. 25

3.1.3. "Нулевой" снег. 25

3.1.4. Выше нуля. 26

3.1.5. Грязь. 26

3.1.6. Укатка лыжни и "старение". 26

3.1.7. Типы снега. 27

3.2. Как работает мазь держания. 27

3.2. Как работает мазь скольжения. 30

3.2.1. Упругость кристалла. 30

3.2.2. Контролируемое трение. 30

3.2.3. Поверхностное натяжение. 32

3.2.4. Сухая смазка и добавки. 32

3.2.5. Отталкивание грязи. 33

3.3. Подготовка лыж. 34

3.3.1. Инструменты. 34

3.3.2. Этапы подготовки лыж. 35

3.4. ТЕСТИРОВАНИЕ ЛЫЖ И СКОЛЬЖЕНИЯ. 39

3.4.1. Радары скорости. 40

3.4.2. Тест на длину выката. 41

3.4.3. Тест на "соревновательное" скольжение. 41

3.4.4. Субъективное тестирование. 42

3.4.5. Простые варианты тестов. 42

3.4.6. Передовые методы тестирования скольжения. 43

3.4.7. Другие методы. 44

4. Экспериментальное изучение коэффициента трения. 45

4.1. Физические основы теста на длину выката. 45

4.2. Методика проведения опытов. 49

4.3. План эксперимента и полученные результаты. 50

4.3.1. Условия проведения опытов. 50

4.3.2. Первая серия опытов. 51

4.3.3. Вторая серия опытов. 53

Заключение. 55

Использованные источники. 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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8