Трибология лыжных гонок
| Примечание | от автора: Экспериментально найдены значения относительной эффективности парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5 в условиях сурового уральского климата при низких температурах и высокой влажности воздуха от редактора из текста: Трибология - это наука о |
| Загрузить архив: | |
| Файл: ref-23590.zip (895kb [zip], Скачиваний: 174) скачать |
Управление образования Администрации г. Екатеринбурга
Управление образования АдминистрацииКировского района г. 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
Рис. 4.2
HF означает «High fluorocarbon» – мази с высоким содержанием фторорганики.
В эксперименте использовались две пары лыж FISCHER RCS (топ модель) SkateCut (для конькового хода) Cold (для низких, менее -2°С температур):
первая пара – модель сезона 2003/04, длина 187, stiff (высокой жесткости);
вторая пара - модель сезона 2004/05, длина 192, medium(средней жесткости) (см. Рис. 4.3);
Рис. 4.3.
4.3.2. Первая серия опытов.
Первая серия опытов проводилась 30.01.06 с 19:00 до 21:00 на лыжной базе «СКА» (район Уктуса г. Екатеринбурга) при температуре воздуха -18°С и влажности 78%.
Импортный парафин SWIX HF4 был нанесен на первую пару лыж (модель 2003/04), а отечественная смазка скольжения Луч HF5 - на вторую пару (модель2004/05).
Обе пары тестировал один лыжник. Опыты дублировались по три раза для каждой пары.
В ходе этой первой серии экспериментов использовался спортивный секундомер «CASIO» 311Q04 и фиксировалось время проведения теста t.
Расстояния L и LТизмерялись парами шагов, а разность в длине выката DL - размером ступни по лыжному ботинку. При этом пересчет на метры производился по следующим соотношениям:
·
·
Результаты опытов и рассчитанные значения абсолютных значений коэффициентов трения лыж о снег и относительной эффективности парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5 приведены в Табл. 4.1.
Полученные в первой серии опытов абсолютные значений коэффициентов трения лыж о снег (0,04184 - для SWIX HF4 и 0,04218 – для Луч HF5) хорошо согласуются с приведенными на Рис. 2.1 известными значениями, такими как 0,035 для трибологической пары «дерево – лед». Это говорит о принципиальной работоспособности предложенной нами методики.
Однако погрешность в определении абсолютных значений коэффициента трения (3…4%) не приемлема для оценки относительной эффективности смазок, имеющих примерно одинаковые характеристики и отличающихся друг от друга менее чем 1…3%.
Таблица 4.1
Результаты первой серии опытов
|
Условия тестирования |
Единица измерения |
1 пара лыж, смазка - SWIX HF4 |
2 пара лыж, смазка- Луч HF5 |
||||
|
Номер опыта |
i |
1.1 |
1.2 |
1.3 |
2.1 |
2.2 |
2.3 |
|
Времени тестирования t |
сек |
31,11 |
31,77 |
31,72 |
31,66 |
31,19 |
31,33 |
|
Разность в длине выката DLij, от наихудшего результата для опыта 2.1, L2.1 = 62 пары шагов = 62*1,8 = 111,6 м |
ступней |
4,0 |
2,5 |
3,0 |
0,0 |
1,5 |
3,0 |
|
м |
1,20 |
0,75 |
0,90 |
0,00 |
0,45 |
0,90 |
|
|
Общая длина участков разгона и выката Lij= L2.1+DLij |
м |
112,80 |
112,35 |
112,50 |
111,60 |
112,05 |
112,50 |
|
Среднее значение общей длины участков разгона и выката |
м |
112,55 |
112,05 |
||||
|
Относительная погрешность проведения опытов |
0,40% |
0,80% |
|||||
|
Относительная эффективность d парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5 по формуле (4.26) |
% |
0,45% |
|||||
|
Длина участка торможения (выката) LТij при одинаковой длине участка разгона LР= 28 пар шагов = 50,4 м, LТij= Lij - LР |
м |
62,40 |
61,95 |
62,10 |
61,20 |
61,65 |
62,10 |
|
Коэффициент трения по формуле (4.33) |
0,0430 |
0,0412 |
0,0413 |
0,0414 |
0,0427 |
0,0424 |
|
|
Среднее значение коэффициента трения |
0,04184 |
0,04218 |
|||||
|
Относительная погрешность проведения опытов |
3,96% |
3,06% |
|||||
|
Относительная эффективность парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5
|
% |
0,80% |
Погрешность в определении эффективности смазки через разность в длине выката по формуле (4.26) существенно меньше (0,4…0,8%), чем через определение абсолютных значений коэффициента трения, однако и она достаточно высока для выявления отличий в работоспособности смазки не превышающих 1% .
Для того, что бы убедиться в значимом различии относительной эффективности парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5, нами была проведена вторая серия экспериментов, при планировании которой мы постарались максимально увеличить как количество параллельных опытов, так и условий их проведения.
4.3.3. Вторая серия опытов.
Вторая серия опытов проводилась 01.02.06 с 19:00 до 20:00 так же на лыжной базе «СКА» при температуре воздуха -16°С и влажности 85%.
Импортный парафин SWIX HF4 так же был нанесен на первую пару лыж (модель2003/04), а отечественная смазка Луч HF5 -на вторую пару (модель2004/05).
Обе пары тестировали уже два лыжника (имеющих разную массу) при двух различных длинах участка разгона (с разной высоты тестовой горки). Опыты дублировались по пять раз для каждой пары, каждого лыжника и для каждой длины участка разгона.
В ходе второй серии экспериментов секундомер не использовался, и время проведения теста t не фиксировалось, поскольку задача определения абсолютного значения коэффициента трении уже была решена в первой серии.
Расстояние L измерялись, как и в первой серии, парами шагов, а разность в длине выката DL– размером ступни. Пересчет на метры производился по тем же соотношениям, что и в первой серии.
Результаты опытов и рассчитанные значения относительной эффективности парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5 приведены в Табл. 4.2. и Табл. 4.3
Таблица 4.2
Результаты второй серии опытов
при длине участка разгона LР = 50,4 м,
|
Лыжник |
Единица измерения |
№ |
А |
Б |
||
|
Условия тестирования |
SWIX HF4 |
Луч HF5 |
SWIX HF4 |
Луч HF5 |
||
|
Разность в длине выката DL от наихудшего результата LХ =110м |
ступней |
1 |
7,0 |
0,0 |
8,0 |
12,0 |
|
2 |
13,0 |
0,5 |
18,0 |
13,5 |
||
|
3 |
18,0 |
15,5 |
22,0 |
15,0 |
||
|
4 |
20,0 |
18,0 |
23,0 |
18,0 |
||
|
5 |
21,0 |
18,2 |
23,5 |
18,0 |
||
|
м |
1 |
2,1 |
0,0 |
2,4 |
3,6 |
|
|
2 |
3,9 |
0,2 |
5,4 |
4,1 |
||
|
3 |
5,4 |
4,7 |
6,6 |
4,5 |
||
|
4 |
6,0 |
5,4 |
6,9 |
5,4 |
||
|
5 |
6,3 |
5,5 |
7,1 |
5,4 |
||
|
Общая длина участков разгона и выката L |
м |
1 |
112,1 |
110,0 |
112,4 |
113,6 |
|
2 |
113,9 |
110,2 |
115,4 |
114,1 |
||
|
3 |
115,4 |
114,7 |
116,6 |
114,5 |
||
|
4 |
116,0 |
115,4 |
116,9 |
115,4 |
||
|
5 |
116,3 |
115,5 |
117,1 |
115,4 |
||
|
Среднее значение общей длины участков разгона и выката |
м |
114,7 |
113,1 |
115,7 |
114,6 |
|
|
Относительная погрешность проведения опытов |
3,66% |
4,83% |
4,02% |
1,57% |
||
|
Относительная эффективность d парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5 по формуле (4.26) |
1,42% |
0,94% |
Таблица 4.2
Результаты второй серии опытов
при длине участка разгона LР = 86,4 м,
|
Лыжник |
Единица измерения |
№ |
А |
Б |
||
|
Условия тестирования |
SWIX HF4 |
Луч HF5 |
SWIX HF4 |
Луч HF5 |
||
|
Разность в длине выката DL от наихудшего результата LХ = 161м |
ступней |
1 |
10,5 |
0 |
19 |
6,5 |
|
2 |
10,5 |
3 |
18 |
8 |
||
|
3 |
10,5 |
6 |
19 |
15 |
||
|
4 |
10,5 |
9,5 |
19 |
17 |
||
|
5 |
12,5 |
14 |
30 |
25 |
||
|
м |
1 |
3,2 |
0,0 |
5,7 |
2,0 |
|
|
2 |
3,2 |
0,9 |
5,4 |
2,4 |
||
|
3 |
3,2 |
1,8 |
5,7 |
4,5 |
||
|
4 |
3,2 |
2,9 |
5,7 |
5,1 |
||
|
5 |
3,8 |
4,2 |
9,0 |
7,5 |
||
|
Общая длина участков разгона и выката L |
м |
1 |
164,2 |
161,0 |
166,7 |
163,0 |
|
2 |
164,2 |
161,9 |
166,4 |
163,4 |
||
|
3 |
164,2 |
162,8 |
166,7 |
165,5 |
||
|
4 |
164,2 |
163,9 |
166,7 |
166,1 |
||
|
5 |
164,8 |
165,2 |
170,0 |
168,5 |
||
|
Среднее значение общей длины участков разгона и выката |
м |
164,3 |
163,0 |
167,3 |
165,3 |
|
|
Относительная погрешность проведения опытов |
0,37% |
2,58% |
1,97% |
3,36% |
||
|
Относительная эффективность d парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5 по формуле (4.26) |
0,81% |
1,22% |
Результаты второй серии опытов показывают, что погрешность в определении эффективности смазки через разность в длине выката по формуле (4.26), остается на уровне первой серии (0,37…4,83%), что не позволяет с полной уверенность говорить о большей эффективности парафина SWIX HF4 (0,81…1,42%).
Однако поскольку как в первой, так и во второй серии опытов SWIX HF4 в среднем вел себя несколько лучше, что, видимо, вполне можно говорить о его большей эффективности по сравнению с Луч HF5, но на величину не превышающую 0,5%.
Много это, или мало? Можно привести следующие рассуждения. Смазка с эффективностью в 0,5% на дистанции 5 км может условно позволить лыжнику «укатиться» на 5000 * 0,005 = 25 м дальше. При соревновательной скорости порядка 15км/ч (около 4 м/с) даст выигрыш в 25/4 » 6 сек.
Для спортсменов мировой элиты лыжного спорта и биатлона это, по всей видимости, может и много. Однако для рядовых спортсменов и любителей лыжного спорта это отличие не значимо и поэтому вряд ли стоит тратить в 5 раз большие суммы на подготовку лыж с использованием таких дорогих парафинов, как SWIX HF4. Отечественные смазки типа Луч HF5 могут работать ни чуть не хуже.
Заключение
Решая поставленные в данной работе задачи такие, как изучение основ трибологии, знакомство с видами трения, изучение взаимодействия лыж и снега, удалось разработать достаточно простую методику определения как абсолютного значение коэффициента трения лыж о снег, так и относительной эффективность различных смазок скольжения на основе наиболее распространенного способа тестирования лыж – по длине выката.
Работоспособность данной методики была экспериментально проверена, и показано, что получаемыес помощь ее результаты для абсолютных значений коэффициента трения хорошо согласуются с известными величинами для таких трибологических парах, как «дерево – лед».
Экспериментально найденные значения относительной эффективности парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5 в условиях сурового уральского климата при низких температурахи высокой влажности воздуха показывают что, вряд ли стоит тратить в 5 раз большие суммы на подготовку лыж с использованием дорогих импортных парафинов, таких как SWIX HF4.
Отечественные смазки типа Луч HF5 в суровых уральских условиях могут работать ни чуть не хуже.
Основные задачи, поставленные в рамках данной исследовательской работы, выполнены.
Дальнейшим развитием выбранного направления может стать более точное тестирование лыж и смазок с использованием, например, таких современных приборов, как радары скорости.
Использованные источники.
Перышкин А.В. Физика 7 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – 6-е изд., стериотип. – М.: Дрофа, 2002. – 192 с.: ил.
Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учеб. для 9 кл. сред. Шк. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 1994. – 192 с.: ил.
Перышкин А.В. Физика 9 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений/ А.В. Перышкин, Е.М. Гутник . – 5-е изд., стериотип. – М.: Дрофа, 2002. – 256 с.: ил.
Касьянов В.А. Физика 10 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – 5-е изд., дораб. – М.: Дрофа, 2003. – 416 с.: ил.
Крагельский И. В., Виноградова И. Э. Коэффициенты трения. Справочное пособие. – 2-е изд. – М.: МАШГИЗ, 1962. – 220 с.: ил.
Слободетский И.Ш. Сухое трение. Журнал «Квант», 1970, №1 с. 37-41.
Нет Браун. Подготовка лыж. Полное руководство. : Пер. с анг. – Немцов А. – Мурманск, 2004. – 168 с. : ил.
Ресурсы Интернет:
http://www.tribo.ru/new/about.html - Журнал "Трение Износ Смазка" основан в 1999 году. Учредитель НПК "ВМПАВТО". Выходит 4 раза в год.
http://www.abitura.com - Сайт для абитуриентов, для выпускников школы, для тех, кто собирается поступать в вузы, где требуется хорошее знание физики.
http://www.krugosvet.ru/about.htm - Энциклопедия «Кругосвет».
http://skisport.narod.ru/index.html - Беговые лыжи. Детский центр культуры и спорта «Южное Измайлово»
http://xcski.narod.ru/ - Лыжный клуб «Обнинск»
http://www.skisport.ru/ - Официальный сайт журнала «Лыжный спорт»