Трибология лыжных гонок

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 под­готовки 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 катались, мы все чаще и чаще сталкиваемся с грязным снегом, и поэтому 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:

1. 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
2. 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.
3. 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:

1. Мелкозернистый снег, острые кристаллы требуют накатки узких, более мелких желобков.
2. Более старый, лежалый снег при средних зимних температурах требует накатки средних желобков.
3. Вода и большие, круглые снежные кристаллы требуют накатки крупных желобков.
4. Свежевыпавший снег - падающий и свежевыпавший снег, характеризующийся относительно острыми кристаллами и требующий твердой мази.
5. 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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6