№ 3(10) / декабрь

Популярно о науке

Трение: увлекательно о фундаментальном

Лабораторный стенд для исследования эффектов трения

Лабораторный стенд для исследования эффектов трения

Одной из задач, поставленных перед Лабораторией нелинейного анализа и конструирования новых средств передвижения УдГУ, является исследование различных эффектов движения механических систем. Эффекты могут быть инициированы различными внутренними и внешними взаимодействиями, но наиболее интересны, конечно, законы и парадоксы, вызванные фундаментальными силами. Данная научно-популярная статья посвящена историческому очерку и обзору работы Лаборатории по исследованию эффектов, связанных с силой трения.

Нет движения, совершающегося на Земле, в котором не участвовало бы трение. Человек испокон веков пытается понять и контролировать это явление. Задолго до нашей эры были сделаны многие гениальные открытия в этой области, главным из которых можно считать изобретение колеса, когда человечество ловко подменило трение скольжения трением качения. Но надо отметить, что большая часть существующих работ по трению относится больше к рассмотрению статических явлений, когда влияние трения на динамику исследуется, но не в столь общей мере. И вопросы трения выходят на совсем новый уровень, когда речь идет о создании новых средств передвижения, в частности управляемых человеком робототехнических объектов. Для решения таких задач мы, безусловно, обязаны подробно изучить вопросы трения в динамике соприкасающихся тел, выявить новые закономерности и парадоксы.

Надо сказать, что одна из первых работ по исследованию трения в динамике связана с игрой в бильярд. В 1835 году вышла книга французского математика и инженера Гаспара Кориолиса «Математическая теория явлений бильярдной игры» (оригинальное название «Du jeu de billiard» — Прим. ред.), в которой он, используя закономерности, открытые Кулоном, и свои геометрические представления, разработал конкретные расчеты и алгоритмы, которые долгое время потом использовали игроки в бильярд.

С тех пор прошло более 150 лет, появились новые динамические игры: боулинг, керлинг и др., в основе которых лежат все те же классические механические и геометрические закономерности. И, конечно же, ученые всего мира увлечены попытками объяснить и детерминировать эти игровые процессы, а значит, увеличить результативность игроков. Можно сказать, игры дают пищу для размышлений. Почему некоторые тела ведут себя так, а другие иначе? Например, хорошо известно, что траектория снаряда в керлинге будет искривляться в направлении его вращения, а для мало отличной на первый взгляд хоккейной шайбы хорошо известен обратный эффект. Доказано, что круглое сплошное тело (шайба) закончит вращение и скольжение одновременно, а для выпуклых тел отмечено наличие чистого вращения после остановки скольжения. И ведь одно удовольствие наблюдать за поведением результативных игроков, знающих динамические закономерности игры, хотя многие их действия кажутся нам очень неочевидными и загадочными. Описывать экспериментальные наблюдения в исследованиях трения в динамике можно долго и увлекательно, но приходиться сделать важное заключение: к сожалению, в вопросах описания игр и динамики соприкасающихся твердых тел в целом, требующих единения теоретического и экспериментального подходов, еще очень много белых пятен.

В Лаборатории нелинейного анализа и конструирования новых средств передвижения УдГУ идет работа по разрешению парадоксов и выявлению закономерностей трения в динамике механических систем. Здесь тестируются различные динамические теории контактных взаимодействий, представленные в столь большом количестве за многовековую историю науки о трении, для чего, в частности, собран лабораторный стенд для исследования контактных взаимодействий тел, установлена дорогая высокоточная аппаратура, выверяется техника проведения экспериментов. В частности, идет теоретическая и экспериментальная работа по исследованию динамических эффектов скольжения шайбы по горизонтальной плоскости. В предположении линейного распределения давления шайбы на поверхность (что заметно усложняет вывод и запись уравнений движения, но позволяет промоделировать динамику шайб ненулевой толщины) теоретически предсказаны и экспериментально показаны эффект отклонения траектории шайбы в сторону, противоположную вращению, одновременное прекращение вращения и скольжения шайбы в момент остановки. Доказано влияние геометрии и начальных условий движения шайбы на ее динамику.

Модель тренажера для начинающих спортсменов по боулингу

Модель тренажера для начинающих спортсменов по боулингу

С целью изучения возможного использования эффектов трения в задачах управления проведено аналитическое исследование искривления траекторий шаров для боулинга в случае переменного коэффициента трения дорожек. Для апробации полученных результатов и исследования многочисленных эффектов движения шарообразных тел на горизонтальной плоскости созданы экспериментальные модели шаров, идут исследования. На подходе экспериментальная и теоретическая работа по изучению парадоксов отрыва твердого тела на примере моделей диска и стержня под руководством докторов физико-математических наук Иванова А. П. и Мамева И. С.

По результатам исследований готовится ряд научных публикаций в соавторстве с российскими и зарубежными учеными. Лаборатория ведет сотрудничество с ведущими вузами мира, где идет интенсивная работа в этом направлении. Отметим, что многие западные спортивные ассоциации имеют научные группы, занимающиеся вопросами поднятия результативности игроков. В США, к примеру, в боулинге смазывают дорожки маслом, что ведет к искривлению траекторий шара только на финальном участке движения и, безусловно, увеличению количества страйков. В России этими вопросами занимаются в Институте проблем механики РАН, в Московском физико-техническом институте и др. Идет жаркая полемика о теоретических основах трения в динамике на страницах российских и международных журналов. Полемика, которая ждет в первую очередь своего экспериментального разрешения.

Естественно, что понимание этих, казалось бы, элементарных земных явлений — принципиальный вопрос для дальнейшей работы в направлении создания новых средств передвижения, для развития робототехники. Определенно понятно, что не только электроника является ведущим звеном, без понимания фундаментальных основ механики не будет продвижения вперед к созданию управляемых роботов, к исследованию околоземного и межпланетного пространства.

История

Первые шаги науки о трении связаны с именем великого деятеля эпохи Возрождения Леонардо да Винчи. За несколько веков до появления широко известных работ Амонтона и Кулона он обозначил многие главные закономерности феномена трения. До сих пор его инженерную разработку — подшипники скольжения — применяют в несложных механизмах водяных мельниц, ворот, опор.

Спустя 200 лет после его открытий интерес к проблеме трения возродился в Европе и России в связи с развитием кораблестроения и обрабатывающей промышленности. К этому времени уже получила широкую известность механика Ньютона, которая и явилась теоретическим фундаментом дальнейших исследований по трению. Именно в это время французский ученый Гильом Амонтон экспериментально выводит зависимость силы трения от нормального давления на площадь контакта трущихся тел: F = fN. Правда, коэффициент пропорциональности (коэффициент трения) Амонтон ошибочно полагал примерно равным 1/3 для всех пар контактирующих тел.

Шарль Огюстен Кулон

Шарль Огюстен Кулон

В 1779 году за решение проблемы трения взялся известный французский физик Шарль Огюстен Кулон. Исследуя явление трения в прикладных задачах кораблестроения при строительстве многочисленных фортов Французского флота, Кулон пишет свой фундаментальный труд «Теория простых машин», посвященный вопросам трения скользящих и катящихся поверхностей. В ней Кулон на базе своих экспериментов уточнил законы трения, впервые сформулированные Амонтоном, установил и рассмотрел наличие адгезионной (межмолекулярной) составляющей силы трения (хотя главным фактором считал зацепление неровностей). Также Кулоном была установлена зависимость силы трения покоя от продолжительности предварительного контакта тел. За лучшее решение задач о трении в 1781 году ученый получил премию в 2 000 ливров от Французской академии наук.

Надо отметить, что все работы того времени главным образом были нацелены на борьбу с трением, поглощающим мощности все усложняющихся машин. В настоящее же время наука о трении занимается поиском путей как уменьшения, так и увеличения трения в зависимости от поставленной задачи. В середине 20 века инициированная техническим прогрессом возникла отдельная техническая междисциплинарная наука — трибология, рассматривающая едино физические, химические, машиностроительные, металлургические и экономические аспекты явлений трения, износа и смазки машин с целью снизить потери на трение и износ оборудования. Всемирно известными учеными-трибологами, наряду с выше перечисленными, являются О. Рейнольдс, А. Зоммерфельд, С. А. Чаплыгин, Н. П. Петров, И. В. Крагельский и многие другие.

Надежда Ердакова

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс
Оценить статью: 1 балл2 балла3 балла4 балла5 баллов
Загрузка ... Загрузка ...

Оставить комментарий:

CAPTCHA image

Статьи из рубрики: Популярно о науке

И все-таки она отрывается!

disk1

Каждый хотя бы раз пытался запустить с вращением монету. Каждый был зачарован тем, как она крутится, наращивая звуковые колебания, а затем долго и неохотно падает. Машинально мы запускаем ее вновь и вновь. Наблюдать за этим процессом можно так же бесконечно, как за водой и огнем. Ученых в этом деле волнует не красота происходящего, а сугубо практические вещи: отрывается ли монета в момент остановки от поверхности?

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс
Оценить статью: 1 балл2 балла3 балла4 балла5 баллов
Загрузка ... Загрузка ...
Комментарии: 1 Подробнее

Леденящая тема

Рис. 2. Лекция ведущего ученого проекта Жёна Жузеля «Климат Земли. Прошлое, настоящее и будущее» для сотрудников, молодых ученых, аспирантов и студентов ИЕН и ВШЭМ УрФУ

В ноябре 2011 года в Институте естественных наук Уральского федерального университета в рамках проекта Минобрнауки России по привлечению ведущих ученых в российские вузы была организована лаборатория физики климата и окружающей среды, с тем чтобы понять климат прошлого и настоящего и предсказать климат будущего». Благодаря выделенным деньгам удастся организовать работу на самом высоком уровне, но в тот момент, когда все будет готово для свершения открытий, встанет вопрос о его продлении. Что будет с актуальными наработками? А между тем климатическая картина мира стремительно меняется, ставя под угрозу существование человечества.

Вячеслав Иосифович Захаров, профессор, д. ф.-м. н., Уральский федеральный университет, Екатеринбург, Россия
Владимир Васильевич Васин, чл-корр. РАН, профессор, д. ф.-м. н., Институт математики и механики УрО РАН, Екатеринбург, Россия

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс
Оценить статью: 1 балл2 балла3 балла4 балла5 баллов
Загрузка ... Загрузка ...
Комментарии: 1 Подробнее

От воздушного змея к задаче Максвелла

В Лаборатории нелинейного анализа и конструирования новых средств передвижения регулярно проводятся семинары, а также конференции и симпозиумы всероссийского и международного уровня. В ходе данных встреч докладываются наиболее важные научные результаты, обсуждаются задачи и проблемы университетского мегагранта. За два года сотрудниками лаборатории написано более 100 научных статей. В связи с этим в редакции журнала «Научное обозрение» появилась идея о создании специальной рубрики «Популярно о науке», в которой планируется излагать наиболее интересные результаты доступным, популярным языком. Открывает нашу новую рубрику статья ведущего научного сотрудника сектора динамики вихревых структур, д. ф.-м. н., профессора ИжГТУ Тененева Валентина Алексеевича.

В. А. Тененев, д. ф.-м. н., профессор

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс
Оценить статью: 1 балл2 балла3 балла4 балла5 баллов
Загрузка ... Загрузка ...
Подробнее

Роботы-шары: новая конструкция мобильных роботов

robot12

Ученые постоянно ищут новые решения при разработке современных роботов. Поиск идет как в области создания новых методов управления роботами, включая, например, ультрасовременные методы Искусственного Интеллекта, так и в области реализации новых средств и форм движения роботов. В этих поисках рождаются новые нетрадиционные способы движения мобильных аппаратов, которые зачастую открывают и новые, недоступные ранее, возможности робота, оснащенного такими нетрадиционными движителями.

В. Е. Павловский, В. В. Павловский, Е. В. Павловский, Г. П. Терехов

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс
Оценить статью: 1 балл2 балла3 балла4 балла5 баллов
Загрузка ... Загрузка ...
Комментарии: 1 Подробнее

Секреты динамики кельтского камня

Рис. 2. Геометрическая модель кельтского камня

При исследовании мест захоронений древних кельтов  археологами были обнаружены своеобразные артефакты — округлые камни, которые использовались кельтами в быту в качестве орудий труда («тесал»), а также, по-видимому, в религиозных целях. Проводя эксперименты над обнаруженными артефактами, ученые обратили внимание на их необычные динамические свойства. Например, способность менять направление вращения на противоположное (явление реверса). Истории исследований и новым результатам (в частности, с привлечением так называемой неголономной модели) посвящена данная обзорная статья.

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс
Оценить статью: 1 балл2 балла3 балла4 балла5 баллов
Загрузка ... Загрузка ...
Комментарии: 7 Подробнее