Msuguano ni jambo la kimaumbile ambalo mtu huhangaika nalo ili kulipunguza katika sehemu zozote zinazozunguka na zinazoteleza za mitambo, bila ambayo, hata hivyo, harakati za mojawapo ya mifumo hii haiwezekani. Katika makala haya, tutazingatia, kwa mtazamo wa fizikia, ni nini nguvu ya msuguano unaozunguka.
Ni aina gani za nguvu za msuguano zilizopo katika asili?
Kwanza kabisa, zingatia mahali ambapo msuguano wa kukunja unachukua kati ya nguvu zingine za msuguano. Nguvu hizi hutokea kutokana na mawasiliano ya miili miwili tofauti. Inaweza kuwa miili imara, kioevu au gesi. Kwa mfano, kuruka kwa ndege katika troposphere huambatana na kuwepo kwa msuguano kati ya mwili wake na molekuli za hewa.
Kwa kuzingatia miili dhabiti pekee, tunatenga nguvu za msuguano za kupumzika, kuteleza na kuviringika. Kila mmoja wetu aliona: ili kuondokana na sanduku kwenye sakafu, ni muhimu kutumia nguvu fulani kwenye uso wa sakafu. Thamani ya nguvu ambayo itaondoa masanduku mahali pa kupumzika itakuwa sawa kwa thamani kamili kwa nguvu nyingine ya msuguano. Mwisho hutenda kati ya sehemu ya chini ya kisanduku na uso wa sakafu.
Vipimara sanduku imeanza harakati zake, nguvu ya mara kwa mara lazima itumike ili kuweka sare hii ya harakati. Ukweli huu unaunganishwa na ukweli kwamba kati ya mawasiliano ya sakafu na sanduku, nguvu ya msuguano wa sliding hufanya juu ya mwisho. Kama kanuni, ni makumi kadhaa ya asilimia chini ya msuguano tuli.
Ukiweka mitungi ya duara ya nyenzo ngumu chini ya kisanduku, itakuwa rahisi zaidi kuisogeza. Nguvu ya msuguano wa rolling itachukua hatua kwenye mitungi inayozunguka katika mchakato wa harakati chini ya sanduku. Kawaida ni ndogo sana kuliko nguvu mbili zilizopita. Ndio maana uvumbuzi wa gurudumu na wanadamu ulikuwa hatua kubwa kuelekea maendeleo, kwa sababu watu waliweza kusongesha mizigo mikubwa zaidi kwa kutumia nguvu kidogo.
Hali halisi ya msuguano wa kubingiria
Kwa nini msuguano wa rolling hutokea? Swali hili si rahisi. Ili kujibu, mtu anapaswa kuzingatia kwa undani kile kinachotokea kwa gurudumu na uso wakati wa mchakato wa kusonga. Kwanza kabisa, sio laini kabisa - wala uso wa gurudumu, au uso ambao huzunguka. Walakini, hii sio sababu kuu ya msuguano. Sababu kuu ni kubadilika kwa mwili mmoja au zote mbili.
Miili yoyote, haijalishi imetengenezwa kwa nyenzo gani thabiti, ina ulemavu. Uzito mkubwa wa mwili, ndivyo shinikizo inavyozidi juu ya uso, ambayo ina maana kwamba inajitengeneza yenyewe katika hatua ya kuwasiliana na kuharibu uso. Uharibifu huu katika baadhi ya matukio ni mdogo sana kwamba hauzidi kikomo cha elastic.
Bwakati wa kuzungusha gurudumu, maeneo yaliyoharibika baada ya kukomesha mawasiliano na uso hurejesha sura yao ya asili. Walakini, kasoro hizi hurudiwa kwa mzunguko na mapinduzi mapya ya gurudumu. Deformation yoyote ya mzunguko, hata ikiwa iko katika kikomo cha elastic, inaambatana na hysteresis. Kwa maneno mengine, katika ngazi ya microscopic, sura ya mwili kabla na baada ya deformation ni tofauti. Hysteresis ya mizunguko ya deformation wakati wa kusongesha gurudumu husababisha "utawanyiko" wa nishati, ambayo inajidhihirisha katika mazoezi kwa namna ya kuonekana kwa nguvu ya msuguano.
Perfect Body Rolling
Chini ya mwili bora katika hali hii tunamaanisha kuwa haiwezi kuharibika. Katika kesi ya gurudumu bora, eneo lake la kugusa na uso ni sifuri (inagusa uso kando ya mstari).
Hebu tuangazie nguvu zinazotumika kwenye gurudumu lisiloharibika. Kwanza, hizi ni nguvu mbili za wima: uzito wa mwili P na nguvu ya majibu ya msaada N. Nguvu zote mbili hupita katikati ya misa (mhimili wa gurudumu), kwa hiyo hawashiriki katika uundaji wa torque. Kwao, unaweza kuandika:
P=N
Pili, hizi ni nguvu mbili za mlalo: nguvu ya nje F ambayo husukuma gurudumu mbele (hupita katikati ya wingi), na nguvu ya msuguano unaoviringika fr. Mwisho huunda torque M. Kwao, unaweza kuandika usawa ufuatao:
M=frr;
F=fr
Hapa r ni eneo la gurudumu. Usawa huu una hitimisho muhimu sana. Ikiwa nguvu ya msuguano fr ni ndogo sana, basibado itaunda torque ambayo itasababisha gurudumu kusonga. Kwa kuwa nguvu ya nje F ni sawa na fr, basi thamani yoyote ndogo kabisa ya F itasababisha gurudumu kuviringika. Hii ina maana kwamba ikiwa mwili unaoviringika ni bora na hauathiriwi na mgeuko wakati wa harakati, basi hakuna haja ya kuzungumza juu ya nguvu yoyote ya msuguano.
Miili yote iliyopo ni halisi, yaani, ina mgeuko.
Mviringo wa kweli wa mwili
Sasa zingatia hali iliyoelezwa hapo juu kwa kesi ya miili halisi (iliyoharibika). Eneo la mawasiliano kati ya gurudumu na uso halitakuwa sifuri tena, litakuwa na thamani fulani ya kikomo.
Hebu tuchambue nguvu. Hebu tuanze na hatua ya nguvu za wima, yaani, uzito na majibu ya msaada. Bado ni sawa kwa kila mmoja, yaani:
N=P
Hata hivyo, nguvu N sasa hutenda wima kwenda juu si kupitia ekseli ya gurudumu, lakini huhamishwa kidogo kutoka kwayo kwa umbali d. Ikiwa tunafikiria eneo la kugusa gurudumu na uso kama eneo la mstatili, basi urefu wa mstatili huu utakuwa unene wa gurudumu, na upana utakuwa sawa na 2d.
Sasa hebu tuendelee kwenye uzingatiaji wa nguvu mlalo. Nguvu ya nje F bado haiundi torati na ni sawa na nguvu ya msuguano fr katika thamani kamili, yaani:
F=fr.
Wakati wa nguvu zinazoongoza kwenye mzunguko zitasababisha msuguano frna athari ya usaidizi N. Zaidi ya hayo, matukio haya yataelekezwa katika pande tofauti. Usemi unaolingana niaina:
M=Nd - frr
Katika hali ya mwendo wa sare, wakati M itakuwa sawa na sifuri, kwa hivyo tunapata:
Nd - frr=0=>
fr=d/rN
Sawa ya mwisho, kwa kuzingatia kanuni zilizoandikwa hapo juu, inaweza kuandikwa upya kama ifuatavyo:
F=d/rP
Kwa hakika, tumepata fomula kuu ya kuelewa nguvu ya msuguano unaozunguka. Zaidi katika makala tutaichambua.
Mgawo wa upinzani unaoendelea
Kigawo hiki tayari kimeletwa hapo juu. Maelezo ya kijiometri pia yalitolewa. Tunazungumza juu ya thamani ya d. Ni wazi, kadiri thamani hii inavyokuwa kubwa, ndivyo muda unavyozidi kuunda nguvu ya athari ya usaidizi, ambayo huzuia msogeo wa gurudumu.
Mgawo wa ukinzani mkunjo d, tofauti na vigawo vya msuguano tuli na utelezi, ni thamani ya kipimo. Inapimwa kwa vitengo vya urefu. Katika meza, kawaida hutolewa kwa milimita. Kwa mfano, kwa magurudumu ya treni yanayozunguka kwenye reli za chuma, d=0.5 mm. Thamani ya d inategemea ugumu wa nyenzo hizo mbili, mzigo kwenye gurudumu, halijoto na vipengele vingine.
Mgawo wa msuguano unaozunguka
Usiichanganye na mgawo wa awali d. Msuguano wa msuguano unaobingirika unaashiria kwa ishara Cr na hukokotwa kwa kutumia fomula ifuatayo:
Cr=d/r
Usawa huu unamaanisha kuwa Cr haina kipimo. Ni yeye ambaye amepewa katika idadi ya meza zilizo na habari juu ya aina inayozingatiwa ya msuguano. Mgawo huu ni rahisi kutumia kwa mahesabu ya vitendo,kwa sababu haijumuishi kujua eneo la gurudumu.
Thamani ya Cr katika hali nyingi huwa chini ya vigawo vya msuguano na mapumziko. Kwa mfano, kwa matairi ya gari yanayotembea kwenye lami, thamani ya Cr iko ndani ya mia chache (0.01 - 0.06). Hata hivyo, huongezeka sana wakati wa kuendesha matairi kwenye nyasi na mchanga (≈0.4).
Uchambuzi wa fomula inayotokana ya nguvu fr
Hebu tuandike tena fomula iliyo hapo juu ya nguvu inayozunguka ya msuguano:
F=d/rP=fr
Kutokana na usawa, inafuata kwamba kadri kipenyo cha gurudumu kinavyokuwa kikubwa, ndivyo nguvu F itakavyokuwa ndogo ili ianze kusonga mbele. Sasa tunaandika usawa huu kupitia mgawo Cr, tuna:
fr=CrP
Kama unavyoona, nguvu ya msuguano inalingana moja kwa moja na uzito wa mwili. Kwa kuongeza, kwa ongezeko kubwa la uzito wa P, mgawo wa C r yenyewe hubadilika (huongezeka kutokana na ongezeko la d). Katika hali nyingi za kiutendaji Cr iko ndani ya mia chache. Kwa upande wake, thamani ya mgawo wa msuguano wa kuteleza iko ndani ya kumi chache. Kwa kuwa kanuni za nguvu za msuguano wa kuviringisha na kutelezesha ni sawa, kuviringisha kunageuka kuwa na manufaa kutokana na mtazamo wa nishati (nguvu fr ni mpangilio wa ukubwa chini ya nguvu ya kuteleza katika hali nyingi za kiutendaji).
Hali ya kusongesha
Wengi wetu tumekumbana na tatizo la magurudumu ya gari kuteleza wakati wa kuendesha gari kwenye barafu au matope. Kwa nini hiikinachotokea? Ufunguo wa kujibu swali hili uko katika uwiano wa maadili kamili ya nguvu za msuguano wa kusonga na kupumzika. Hebu tuandike tena fomula ya kukunja:
F ≧ CrP
Nguvu F inapokuwa kubwa kuliko au sawa na msuguano wa kukunja, basi gurudumu litaanza kuviringika. Hata hivyo, ikiwa nguvu hii itazidi thamani ya msuguano tuli mapema, basi gurudumu litateleza mapema kuliko kuviringika kwake.
Kwa hivyo, athari ya utelezi hubainishwa na uwiano wa vigawo vya msuguano tuli na msuguano wa kubingirika.
Njia za kukabiliana na mtelezo wa gurudumu la gari
Msuguano wa kusongesha wa gurudumu la gari kwenye sehemu inayoteleza (kwa mfano, kwenye barafu) unaonyeshwa na mgawo Cr=0.01-0.06. Hata hivyo, thamani za mpangilio sawa ni wa kawaida kwa msuguano tuli wa mgawo.
Ili kuepuka hatari ya kuteleza kwa magurudumu, matairi maalum ya "msimu wa baridi" hutumiwa, ambamo spikes za chuma hutungwa. Ya mwisho, ikianguka kwenye uso wa barafu, huongeza mgawo wa msuguano tuli.
Njia nyingine ya kuongeza msuguano tuli ni kurekebisha sehemu ambayo gurudumu linasogea. Kwa mfano, kwa kuinyunyiza na mchanga au chumvi.
