СИЛА ТРЕНИЯ И СИЛА СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ
Задание 400.
Зачем в гололедицу тротуары посыпают песком?
Ответ
Задание 401.
Зачем зимой задние колеса некоторых грузовых автомобилей перевязывают цепями?
Ответ
Задание 402.
Для чего при спуске воза с горы одно колесо телеги иногда закрепляют так, чтобы оно не вращалось?
Ответ
Задание 403.
Зачем на шинах автомашин, колесных тракторов делают глубокий рельефный рисунок (протектор)?
Ответ
Задание 404.
Зачем осенью у трамвайных линий, проходящих около парков, бульваров и садов, вывешивается предупреждающий знак «Осторожно, листопад!»?
Ответ
Задание 405.
Почему после дождя грунтовая дорога скользкая?
Ответ
Задание 406.
Почему после дождя опасно съезжать на автомобиле по грунтовой дороге под уклон?
Ответ
Задание 407.
Зачем некоторые мастера смазывают мылом шуруп перед ввинчиванием его в скрепляемые детали?
Ответ
Задание 408.
Зачем стапеля, по которым судно спускают в воду, обильно смазывают?
Ответ
Задание 409.
Для чего делается насечка около шляпки гвоздя?
Ответ
Задание 410.
Назовите одну-две детали велосипеда, изготовленные с учетом увеличения силы трения скольжения.
Ответ
Задание 411.
Какие силы трения возникают при движении карандаша в случаях, указанных на рисунке 93, а, б? Куда направлена сила трения, действующая на карандаш, относительно оси карандаша в обоих случаях?
Рис.93
Ответ
Задание 412.
Тележка с грузом движется (рис. 94). Какой вид трения возникает между:
А) столом и колесами;
б) грузом и тележкой;
в) осями колес и корпусом тележки?
Рис.94
Ответ
Задание 413.
Почему кирпичи не скатываются вниз (рис. 95 и 96)? Какая сила удерживает их в состоянии покоя? Изобразите силы, действующие на кирпичи.
Рис.95
Рис.96
Ответ
Задание 414.
Брусок двигают вправо (рис. 97). Куда направлена сила трения скольжения по отношению к бруску; относительно поверхности, по которой движется брусок?
Рис.97
Ответ
Задание 415.
Лестница у стены занимает положение, изображенное на рисунке 98. Укажите направление силы трения в местах соприкосновения лестницы со стеной и полом.
Рис.98
Ответ
Задание 416.
Брусок движется равномерно (рис. 99). Куда направлена:
А) сила упругости горизонтальной
части нити;
б) вертикальной;
в) сила трения скольжения, действующая на поверхность стола, на брусок;
г) чему равна равнодействующая этих сил?
Рис.99
Ответ
Задание 417.
Колесо автомобиля буксует (рис. 100). Куда направлена сила трения скольжения между буксующим колесом и дорогой, которая действует:
А) на колесо;
б) дорогу? Куда направлена сила упругости дороги?
Рис. 100
Ответ
Задание 418.
Книга прижата к вертикальной поверхности (рис. 101). Изобразите графически направления сил тяжести и трения покоя, действующих на книгу.
Рис. 101
Ответ
Задание 419.
Тележка равномерно движется вправо (см. ). Какая сила приводит в движение груз, поставленный на нее? Чему равна эта сила при равномерном движении?
Ответ
Задание 420.
На транспортере равномерно движется ящик с грузом (без скольжения). Куда направлена сила трения покоя между лентой транспортера и ящиком, когда ящик:
а) поднимается;
б) движется горизонтально;
в) опускается?
Ответ
Задание 421.
Если автобус равномерно движется по горизонтальному участку пути, чему равна сила трения покоя?
Ответ
Задание 422.
Парашютист, масса которого 70 кг, равномерно опускается. Чему равна сила сопротивления воздуха, действующая на парашютиста?
Ответ
Задание 423.
С помощью динамометра равномерно перемещают брусок (см. ). Чему равна сила трения скольжения между бруском и поверхностью стола? (Цена деления динамометра 1 Н.)
Ответ
Задание 424.
Зубья пилы разводят в разные стороны от плоскости пилы. На рисунке 102 показаны пропилы, сделанные неразведенной и разведенной пилами, Какой пилой труднее пилить: разведенной или неразведенной? Почему?
Рис. 102
Ответ
Задание 425.
Приведите примеры, когда трение приносит пользу и когда вред.
Ответ
Задание 426.
На уроке физкультуры мальчик равномерно скользит вниз по канату. Под действием каких сил осуществляется это движение?
Ответ
Задание 427.
Судно буксирует три баржи, соединенные последовательно одна за другой. Сила сопротивления воды для первой баржи 9000 Н, для второй 7000 Н, для третьей 6000 Н. Сопротивление воды для самого судна 11 кН. Определите силу тяги, развиваемую судном при буксировке этих барж, считая, что баржи движутся равномерно.
Решение и ответ
Задание 428.
На движущийся автомобиль в горизонтальном направлении действуют сила тяги двигателя 1,25 кН, сила трения 600 Н и сила сопротивления воздуха 450 Н. Чему равна равнодействующая этих сил?
Решение и ответ
Задание 429.
Можно ли однозначно утверждать, что приращение силы сопротивления ▲F равно 3 мН, если скорость тела, движущегося в некоторой среде с коэффициентом сопротивления 0,01, увеличилась на 0,3 м/с?
Ответ
Задание 430.
Троллейбус трогается с места и в течение 30 с приобретает импульс 15 10 4 кг м/с. Определите силу сопротивления движению, если развиваемая троллейбусом сила тяги равна 15 кН.
Решение и ответ
Задание 431.
На автомобиль массой 103 кг во время движения действует сила сопротивления, равная 10% от его веса. Чему должна быть равна сила тяги, развиваемая автомобилем, чтобы он двигался с постоянным ускорением 2 м/с 2 ?
Решение и ответ
Задание 432.
Конькобежец вначале движется по горизонтальному пути равномерно, а затем после разгона путь 60 м до остановки проезжает за 25 с. Чему равен коэффициент трения скольжения коньков по льду?
Решение и ответ
Задание 433.
Поезд массой 400 т движется со скоростью 40 км/ч и после торможения останавливается. Какова сила торможения, если тормозной путь поезда равен 200 м?
Решение и ответ
Задание 434.
Велосипедист, ехавший со скоростью 11 м/с, резко затормозил. Коэффициент трения скольжения шин о сухой асфальт равен 0,7. Определите ускорение велосипедиста при торможении; время торможения; тормозной пусть велосипедиста.
Решение и ответ
Задание 435.
Какую силу надо приложить в горизонтальном направлении к вагону массой 16 т, чтобы уменьшить его скорость на 0,6 м/с за 10 с; за 1 с? Коэффициент трения равен 0,05.
Решение и ответ
Задание 436.
С какой скоростью сможет ехать по горизонтальной плоскости мотоциклист, описывая дугу радиусом 83 м, если коэффициент трения резины о почву равен 0,4?
Изменение направления движения любого тела можно достичь только приложением к нему внешних сил. При движении транспортного средства на него действует множество сил, при этом шины выполняют важные функции: каждое изменение направления или скорости движения транспортного средства вызывает появление в шине действующих сил.
Шина – это элемент связи между транспортным средством и проезжей частью. Именно в месте контакта шины с дорогой решается главный вопрос безопасности движения транспортного средства. Через шину передаются все силы и моменты, возникающие при разгоне и торможении автомобиля, при изменении направления его движения.
Шина воспринимает действия боковых сил, удерживая автомобиль на выбранной водителем траектории движения. Поэтому физические условия сцепления шины с поверхностью дороги определяют границы динамических нагрузок, действующих на транспортное средство.
Рис. 01: Посадка бескамерной шины на ободе;
1. Обод; 2. Подкат (Хамп) на поверхности посадки борта шины; 3. Борт обода; 4. Каркас шины; 5. воздухонепроницаемый внутренний слой; 6. Брекерный пояс; 7. Протектор; 8. Боковина шины; 9. Борт шины; 10. Сердечник борта; 11. Вентиль
Решающие критерии оценки:
-Обеспечение устойчивого прямолинейного движения при действии на автомобиль боковых сил
-Обеспечение устойчивого движения на поворотах Обеспечение сцепления на различных поверхностях проезжей части Обеспечение сцепления с дорогой при различных погодных условиях
-Обеспечение хорошей управляемости автомобиля Обеспечение комфортных условий движения (гашение колебаний, обеспечение плавности хода, минимальная шумность качения)
-Прочность, износостойкость, высокий срок службы
-Невысокая цена
-Минимальный риск повреждения шины при её пробуксовке
Проскальзывание шины
Проскальзывание шины или её буксование происходит из разницы между теоретической скоростью движения, обусловленной вращением колеса, и действительной скоростью движения, обеспечиваемой силами сцепления колеса с дорогой
Посредством приведенного примера можно пояснить это утверждение: пусть длина окружности по внешней беговой поверхности шины легкового автомобиля составляет около 1,5 м. Если при движении автомобиля колесо поворачивается вокруг оси вращения 10 раз, то пройденный автомобилем путь должен составить 15 м. Если же происходит проскальзывание шины, то пройденный автомобилем путь становится короче Закон инерции Каждое физическое тело стремится либо сохранять состояние покоя, либо сохранять состояние прямолинейного движения.
Чтобы вывести физическое тело из состояния покоя или отклонить его от прямолинейного движения к телу должна быть приложена внешняя сила. Изменение скорости движения, как во время разгона автомобиля, так и при торможении потребует соответствующего приложения внешних сил. Если водитель пытается тормозить на повороте на покрытой льдом поверхности дороги, автомобиль будет стремиться двигаться прямо без явно выраженного стремления изменить скорость движения, при этом реакция на поворот рулевого колеса будет слишком вялой.
На обледенелой поверхности через колеса автомобиля может передаваться только маленькие силы торможения и боковые усилия, поэтому вождение автомобиля на скользкой дороге является непростой задачей. Моменты сил При вращательном движении на тело действуют или оказывают влияние моменты сил.
В режиме движения колеса вращаются вокруг своих осей, преодолевая моменты инерции покоя. Момент инерции колес возрастает с увеличением скорости его вращения и вместе с тем, скоростью движения автомобиля. Если транспортное средство находится одной стороной на скользкой проезжей части (например, обледенелой поверхности дороги), а другая сторона на дороге с нормальным коэффициентом сцепления (неоднородный коэффициент сцепления μ), то при торможении автомобиль получает вращательное движение вокруг вертикальной оси. Это вращательное движение называют моментом рысканья
Распределение сил наряду с весом тела (силой тяжести) на автомобиль действуют различные внешние силы, величина и направление которых зависит от режима и направления движения транспортно-го средства. При этом речь идет о следующих параметрах:
Силах, действующих в продольном направлении, (например, силе тяги, силе сопротивления воздуха или силе трения качения)
Силах, действующих в поперечном направлении, (например, усилие, прилагаемое к управляемым колесам автомобиля, центробежной силе при движении на повороте, или силе действия бокового ветре или силе, возникающей при движении на косо-горе).
Эти силы принято обозначать, как силы бокового увода автомобиля. Силы, действующие в продольном или поперечном направлении, передаются на шины, и через них на проезжую часть дороги в вертикальном или горизонтальном направлении, вызывая деформацию шины в про-дольном или поперечном направлении.
Рис. 04: Горизонтальная проекция угла бокового увода α и влияние бокового усилия Fs; vn = Скорость в направлении бокового увода vx = Скорость в продольном направлении Fs, Fy = Боковые усилия α = Угол бокового увода
Эти силы передаются на корпус авто-мобиля через:
шасси автомобиля (так называемые ветровые силы)
органы управления (рулевая сила)
двигатель и агрегаты трансмиссии (движущая сила)
тормозные механизмы (тормозные силы)
В противоположном направлении эти силы действуют со стороны дорожной поверхности на шины, передаваясь затем на транспортное средство. Это связано с тем, что: любая сила вызывает противодействие
Рис. 05: Скорость колеса vx в продоль-ном направлении, тормозная сила FB и тормозной момент MB; vx = Скорость колеса в продольном направлении FN = Вертикальная сила (нормальная реакция опоры) FB = Тормозная силаMB = Тормозной момент
Для обеспечения движения тяговая сила, передаваемая на колесо посредством крутящего момента, создаваемого двигателем, должна превосходить все внешние силы сопротивления (продольные и поперечные силы), которые возникают, например, при движении автомобиля по дороге с поперечным уклоном.
Для оценки динамики движения, а также устойчивости движения транс-портного средства должны быть известны силы, действующие между шиной и дорожным полотном в так называемом пятне контакта шины с дорогой. Внешние силы, действующие в площадке соприкосновения шины с дорогой, передаются через колесо на транспортное средство. С увеличением практики вождения водитель все лучше и лучше учится реагировать на эти силы.
По мере приобретения опыта вождения, у водителя все отчетливее возникают ощущения сил действующих в пятне контакта шины с дорогой. Величина и направление внешних сил зависит от интенсивности разгона и торможения автомобиля, при действии боковых сил от ветра, или при движении по дороге с поперечным уклоном. Особняком стоит опыт вождения по скользким дорогам, когда чрезмерное воздействие на органы управления могут сорвать шины автомобиля в скольжение.
Но самое главное это то, что водитель обучается правильным и дозированным действиям органами управления, которые препятствуют возникновению неуправляемого движения. Неумелые действия водителя при высокой мощности двигателя особенно опасны, так как силы, действующие в пятне контакта, могут превысить допустимый предел по сцеплению, что может вызвать занос автомобиля или полную потерю управляемости, и повышает износ шин.
Силы в пятне контакта шины с дорогой Только строго дозированные силы в пятне контакта колеса с дорогой способны обеспечить соответствующие желанию водителя скорость и изменение направления движения. Суммарная сила в пятне контакта шины с дорогой складывается из следующих составляющих её сил:
Касательная сила, направленная по окружности шины Касательная сила Fμ возникает в результате передачи крутящего момента приводным механизмом или при торможении автомобиля. Она действует в продольном направлении на поверхность дороги (продольная сила) и дает возможность водителю произвести разгон при воздействии на педаль газа или обеспечить замедление движения при его воздействии на педаль тормоза.
Вертикальная сила (нормальная реакция опоры) Вертикальная сила между шиной и поверхностью дороги обозначается как радиально направленная сила, или как нормальная реакция опоры FN. Вертикальная сила между шиной и поверхностью дороги присутствует всегда, как при движении транспортного средства, так и при его неподвижности. Вертикальная сила, действующая на опорную поверхность, определяется частью веса автомобиля, приходящегося на это колесо, плюс дополнительная вертикальная сила, возникающая в результате перераспределения веса при разгоне, торможении или движении в повороте.
Вертикальная сила увеличивается или уменьшается при движении автомобиля на подъем или под уклон, при этом увеличение или уменьшение вертикальной силы зависит от направления движения автомобиля. Нормальная реакция опоры определяется при неподвижном положении транспортного средства, установленного на горизонтальной поверхности.
Дополнительные силы могут увеличить или уменьшить значение вертикальной силы между колесом и поверхностью дороги (нормальной реакции опоры). Так при движении не повороте дополнительная сила уменьшает вертикальную составляющую на внутренних к центру поворота колесах и увеличивает вертикальную составляющую на колесах внешней стороны транспортного средства.
Площадка контакта шины с поверхностью дороги деформируется прилагаемой к колесу вертикальной силой. Так как боковины шины подвергаются соответствующей деформации, вертикальная сила не может распределяться равномерно по всей площади пятна контакта, а возникает трапецевидное распределение давления шины на опорную поверхность. Боковины шины принимают на себя внешние силы, и шина деформируется в зависимости от величины и направления внешней нагрузки.
Боковая сила
Боковые силы оказывают действие на колесо, например, при действии бокового ветра, или при движении автомобиля на повороте. Управляемые колеса движущегося автомобиля при их отклонении от прямолинейного положения также подвергаются действию боковой силы. Боковые силы вызывает измерение направления движения транспортного средства.
400. Зачем в гололедицу тротуары посыпают песком?
Для того, чтобы увеличить коэффициент трения. В этом случае вероятность поскользнуться и упасть будет меньше.
401. Зачем зимой задние колеса некоторых грузовых автомобилей перевязывают цепями?
Для того, чтобы увеличить коэффициент трения и тем самым практически не допустить проскальзывания между колесами автомобиля и обледенелым участком полотна дороги.
402. Для чего при спуске воза с горы одно колесо телеги иногда закрепляют так, чтобы оно не вращалось?
Чтобы увеличить трение между телегой и дорогой. В этом случае скорость телеги будет не очень, большой, зато безопасной для спуска.
403. Зачем на шинах автомашин, колесных тракторов делают глубокий рельефный рисунок (протектор)?
Для увеличения коэффициента трения между колесами и дорогой. В этом случае сцепление с землей будет более эффективным.
404. Зачем осенью у трамвайных линий, проходящих около парков, бульваров и садов, вывешивается предупреждающий знак «Осторожно, листопад!»?
Сухие листья уменьшают сцепление колес трамвая с рельсами, вследствие чего может возникнуть пробуксовка колес, тормозной путь трамвая также увеличится.
405. Почему после дождя грунтовая дорога скользкая?
Вода на поверхности земли является смазкой и поэтому уменьшает коэффициент трения.
406. Почему после дождя опасно съезжать на автомобиле по грунтовой дороге под уклон?
Потому что вода на поверхности дороги уменьшает коэффициент трения.
407. Зачем некоторые мастера смазывают мылом шуруп перед ввинчиванием его в скрепляемые детали?
Мыло служит смазкой и уменьшает коэффициент трения. В этом случае процесс ввинчивания шурупа будет более легким.
408. Зачем стапеля, по которым судно спускают в воду, обильно смазывают?
Для того, чтобы уменьшить коэффициент трения между спускаемым судном и стапелями, и тем самым облегчить процесс спуска.
409. Для чего делается насечка около шляпки гвоздя?
Для увеличения коэффициента трения. В этом случае молоток будет меньше соскальзывать со шляпки гвоздя.
410. Назовите одну-две детали велосипеда, изготовленные с учетом увеличения силы трения скольжения.
Резиновая покрышка, тормозные колодки.
411. Какие силы трения возникают при движении карандаша в случаях, указанных на рисунке 93, а, б? Куда направлена сила трения, действующая на карандаш, относительно оси карандаша в обоих случаях?
а) сила трения скольжения; она направлена вдоль оси карандаша в противоположную сторону его движения,
б) сила трения качения; она направлена перпендикулярно к оси карандаша в противоположную сторону его движения.
412. Тележка с грузом движется (рис. 94). Какой вид трения возникает между: а) столом и колесами; б) грузом и тележкой; в) осями колес и корпусом тележки?
а) сила трения качения;
б) сила трения покоя, если груз покоится относительно тележки, или сила трения скольжения, если груз движется;
в) сила трения скольжения.
413. Почему кирпичи не соскальзывают вниз (рис. 95 и 96)? Какая сила удерживает их в состоянии покоя? Изобразите силы, действующие на кирпичи.
414. Брусок двигают вправо (рис. 97). Куда направлена сила трения скольжения по отношению к бруску; относительно поверхности, по которой движется брусок?
Относительно бруска сила трения скольжения направлена влево (против направления движения). Относительно поверхности, по которой движется брусок, сила трения направлена вправо (по направлению движения).
415. Лестница у стены занимает положение, изображенное на рисунке 98. Укажите направление силы трения в местах соприкосновения лестницы со стеной и полом.
416. Брусок движется равномерно (рис. 99). Куда направлена: а) сила упругости горизонтальной части нити; б) вертикальной части нити; в) сила трения скольжения, действующая на поверхность стола, на брусок? Чему равна равнодействующая этих сил?
417. Колесо автомобиля буксует (рис. 100). Куда направлена сила трения скольжения между буксующим колесом и дорогой, которая действует: а) на колесо; б) на дорогу? Куда направлена сила упругости дороги?
418. Книга прижата к вертикальной поверхности (рис. 101). Изобразите графически направления сил тяжести и трения покоя, действующих на книгу.
419. Тележка равномерно движется вправо (см. рис. 94). Какая сила приводит в движение груз, поставленный на нее? Чему равна эта сила при равномерном движении?
Груз, лежащий на тележке, приводится в движение силой трения покоя, направленной вправо. При равномерном движении те¬лежки эта сила равна нулю.
420. На транспортере равномерно движется ящик с грузом (без скольжения). Куда направлена сила трения покоя между лентой транспортера и ящиком, когда ящик: а) поднимается; б) движется горизонтально; в) опускается?
а) вверх вдоль транспортера; б) она равна нулю; в) вверх вдоль транспортера.
421. Равна ли сила тяги силе трения, если автобус движется без скольжения равномерно: 1) по горизонтальному пути; 2) вверх по наклонному участку пути?
Если автобус движется равномерно по горизонтальному участку пути, то сила трения покоя равна силе тяги за вычетом силы сопротивления воздуха.
422. Парашютист, масса которого 70 кг, равномерно опускается. Чему равна сила сопротивления воздуха, действующая на парашютиста?
423. С помощью динамометра равномерно перемещают брусок (см. рис. 97). Чему равна сила трения скольжения между бруском и поверхностью стола? (Цена деления динамометра 1 Н.)
При равномерном движении бруска сила трения скольжения между бруском и поверхностью стола равна силе упругости пружины динамометра. Поэтому в этом случае динамометр нам показывает значение силы трения скольжения. Согласно рис. 97 она равна 4Н.
424. Зубья пилы разводят в разные стороны от плоскости пилы. На рисунке 102 показаны пропилы, сделанные неразведенной и разведенной пилами. Какой пилой труднее пилить? Почему?
Труднее пилить неразведенной пилой, так как в этом случае боковые поверхности пилы плотнее соприкасаются с деревом и между ними возникает большая сила трения.
425. Приведите примеры, когда трение приносит пользу и когда вред.
Трение приносит пользу при ходьбе, беге, езде на транспорте, движении грузов на транспортере. Трение приносит вред в трущихся деталях различных механизмов, где нежелательно стирание поверхностей.
426. На уроке физкультуры мальчик равномерно скользит вниз по канату. Под действием каких сил осуществляется это движение?
Под действием силы тяжести и силы трения скольжения.
427. Судно буксирует три баржи, соединенные последовательно одна за другой. Сила сопротивления воды для первой баржи 9000 Н, для второй 7000 Н, для третьей 6000 Н. Сопротивление воды для самого судна 11 кН. Определите силу тяги, развиваемую судном при буксировке этих барж, считая, что баржи движутся равномерно.
428. На движущийся автомобиль в горизонтальном направлении действуют сила тяги двигателя 1,25 кН, сила трения 600 Н и сила сопротивления воздуха 450 Н. Чему равна равнодействующая этих сил?
429. Можно ли однозначно утверждать, что приращение силы сопротивления AF равно 3 мН, если скорость тела, движущегося в некоторой среде с коэффициентом сопротивления 0,01, увеличилась на 0,3 м/с?
Однозначно утверждать так нельзя, так как сила сопротивления в вязких средах задается неоднозначно. При малых скоростях движения она пропорциональна скорости, при больших - квадрату скорости.
430. Троллейбус трогается с места и в течение 30 с приобретает импульс 15 104 кг-м/с. Определите силу сопротивления движению, если развиваемая троллейбусом сила тяги равна 15 кН.
431. На автомобиль массой 103 кг во время движения действует сила сопротивления, равная 10% от его веса. Чему должна быть равна сила тяги, развиваемая автомобилем, чтобы он двигался с постоянным ускорением 2 м/с2?
434. Велосипедист, ехавший со скоростью 11 м/с, резко затормозил. Коэффициент трения скольжения шин о сухой асфальт равен 0,7. Определите ускорение велосипедиста при торможении; время торможения; тормозной путь велосипедиста.
435. Какую силу надо приложить в горизонтальном направлении к вагону массой 16 т, чтобы уменьшить его скорость на 0,6 м/с за 10 с; за 1 с? Коэффициент трения равен 0,05.
436. С какой скоростью сможет ехать по горизонтальной плоскости мотоциклист, описывая дугу радиусом 83 м, если коэффициент трения резины о почву равен 0,4?
Всем механикам с юности памятна картинка со схемой движения автомобиля по кривой, когда его внешние колеса проходят больший путь, чем внутренние. С ее помощью во многих учебниках для водителей разъясняются назначение и принцип действия дифференциала. Часто все сводится к тому, что дифференциал позволяет ведущим колесам вращаться с различными скоростями и, таким образом, обеспечивает нормальное движение автомобиля на поворотах.
Такие разъяснения не то чтобы совсем неправильны, но слишком упрощены и сути работы дифференциала не раскрывают. Конечно, в серьезных книгах все изложено правильно. Там сказано, что назначение межколесного дифференциала на автомобиле состоит в распределении крутящего момента строго поровну между ведущими колесами одного моста, а межмостового дифференциала – в распределении крутящего момента между ведущими мостами, — поровну или в оптимальной пропорции (несимметричный дифференциал).
«Дифференциал – это механизм, у которого ведущие колеса вращаются независимо друг от дружки».
Строго говоря, вращаются они «зависимо», ну да ладно, — что-то похожее на правду сказано, а об остальном ни слова, чтобы не забивать голову людям без специальной подготовки.
Зеленин С.Ф., Молоков В.А. Учебник по устройству автомобиля, М., «Русьавтокнига», 2000 г., 80 с. Тираж 15000 экз.
Цитата из этой книги:
« Дифференциал предназначен для распределения крутящего момента между полуосями ведущих колес при повороте автомобиля и при движении по неровностям дороги. Дифференциал позволяет колесам вращаться с разной угловой скоростью и проходить неодинаковый путь без проскальзывания относительно покрытия дороги.
Иными словами 100% крутящего момента, который приходит на дифференциал, могут распределяться между ведущими колесами как 50 х 50, так и в другой пропорции (например, 60 х 40). К сожалению, пропорция может быть и 100 х 0. Это означает, что одно из колес стоит на месте (в яме), а другое в это время буксует (по сырой земле, глине, снегу).
Что поделаешь! Ничто не бывает абсолютно правильным и идеальным, зато данная конструкция позволяет автомобилю поворачивать без заноса, а водителю не менять каждый день напрочь изношенные шины.
Рис. 38 Главная передача с дифференциалом
1 — полуоси; 2 — ведомая шестерня; 3 — ведущая шестерня; 4 — шестерни полуосей; 5 — шестерни-сателиты
Это уже не упрощение, а просто введение в заблуждение читателей. Здесь, кроме второго предложения и иллюстрации, все неправда (в первом предложении нужно вставить слово «поровну», а точку поставить после слова «колес» и т.д.).
Только однажды в учебнике для профтехобразования мне довелось встретить правильное и при этом простое и наглядное разъяснение сути работы дифференциала. Было это давно и помню только, что это был учебник для водителей зерновых комбайнов.
Там читателю предлагалось вообразить, что две полуосевые конические шестерни «развернуты» в две зубчатые рейки, эти рейки лежат на воображаемом столе, а между ними помещен сателлит в виде прямозубой шестерни. Выглядит это примерно так:
Объяснение сути работы дифференциала основано на его конструкции и на третьем законе Ньютона, который гласит: сила действия равна по модулю и противоположна по направлению силе противодействия. На следующем рисунке показано силовое взаимодействие сателлита с рейками, когда движущая сила Д приложена к оси сателлита и этот сателлит толкает обе рейки по столу, причем силы сопротивления движению левой и правой реек С лев и С прав одинаковы (силы трения реек о поверхность воображаемого стола) и каждая из них равна половине общей силы сопротивления С. Силы со стороны сателлита передаются на рейки в точках зацепления зубьев сателлита с зубьями реек. Благодаря равенству сил сопротивления движению С лев и С прав, равны между собой и движущие силы на зубьях сателлита, каждая из которых равна половине движущей силы Д. Поскольку равные силы приложены к двум зубьям сателлита, находящимся на равных расстояниях от его оси, сателлит находится в равновесии и не вращается. Поэтому все три детали движутся прямолинейно в одну сторону и с равными скоростями, а именно с той скоростью, с какой движется ось сателлита и которая задана двигателем.
Эта ситуация соответствует установившемуся движению автомобиля по дороге с хорошим сцеплением с дорогой.
Теперь представим, что при своем движении по столу, левая рейка «наехала» на пятно масла. При этом сила сопротивления ее движению (сила трения о стол) уменьшилась, а сила сопротивления движению правой рейки осталась прежней. На какой-то момент равновесие сил на зубьях сателлита нарушается: нагрузка на левый его зуб становится меньше нагрузки, действующей на его правый зуб. Иначе говоря, сателлиту стало легче толкать левую рейку, чем правую. Поэтому он начинает вращаться по часовой стрелке, как это показано на следующем рисунке.
Благодаря вращению сателлита движение правой рейки замедляется, а левая рейка наоборот ускоряется. Затем правая рейка полностью останавливается, а сателлит продолжает вращаться. Его ось продолжает двигаться с той же скоростью, что и прежде, так как эта скорость задана двигателем. Но поскольку правая рейка стоит, вращающийся сателлит обкатывается по ней. В момент, показанный на рисунке правый зуб сателлита стоит на месте, так как «упирается» в зуб неподвижной рейки. Но противоположный, левый зуб сателлита движется в два раза быстрее, чем ось самого сателлита. Все это соответствует ситуации, когда одно из ведущих колес медленно движущегося автомобиля наезжает, например, на обширное пятно льда, а второе остается на сухом покрытии с хорошим сцеплением. То есть машина останавливается и колесо, находящееся на льду, буксует, вращаясь в два раза быстрее, чем прежде, когда оба колеса катились с одинаковой скоростью.
Строго говоря, о нарушении равновесия сил на зубьях сателлита выше сказано некорректно и только потому, что, как мне кажется, так проще понять происходящее. На самом деле равновесие сил сохраняется всегда, только для его рассмотрения нужно еще учитывать силы, вызывающие ускорение левой рейки и замедление правой. Эти не рассматриваемые нами силы, исчезают с момента полной остановки правой рейки. В этот же момент удвоенная скорость движения левой рейки становится постоянной. И тогда ситуация полностью соответствует следующему рисунку.
Здесь равновесие сил восстановилось, точнее, — исчезли динамические силовые составляющие (те, что вызывали ускорение одной рейки и замедление другой). Правая рейка стоит, сателлит вращается, а левая рейка движется равномерно с удвоенной скоростью. Очень важно отметить что, равновесие сил перешло на новый уровень. Теперь равные силы на левом и правом зубьях сателлита стали существенно меньше прежних. В силу третьего закона Ньютона эти силы не могут превысить движущую силу, которую можно приложить к рейке, находящейся на пятне масла, или к колесу, находящемуся на пятне льда. Иными словами, если одно колесо стоит на сухой дороге, а противоположное буксует на льду или в грязи, это вовсе не означает, что 100% крутящего момента передается от двигателя на буксующее колесо, как сказано в упомянутой выше книге. Этот момент всегда и во всех условиях делится дифференциалом поровну между колесами, но он не может быть больше, чем позволяет сцепление одного из колес с дорогой, причем именно того колеса, у которого это сцепление меньше.
Только если в этих условиях заблокировать дифференциал, то есть выключить его из работы, тем или иным способом жестко соединив между собой полуоси, можно передать на колесо, стоящее на сухой дороге, подавляющую часть крутящего момента, который может развить двигатель. При этом буксование прекратится, оба колеса будут вращаться с одинаковой скоростью, но подавляющую часть суммарной силы тяги будет обеспечивать только одно из этих колес.
Мне кажется, что с помощью модели с зубчатыми рейками можно наглядно объяснить и все прочие режимы работы межколесного дифференциала. Например, ситуацию, иногда возникающую при торможении двигателем. Представим, что автомобиль движется под уклон на сухой дороге с пятнами льда. Водитель тормозит двигателем. В этом случае движущая сила, это сила инерции массы машины. А сила сопротивления движению, это сила, приложенная к осям сателлитов дифференциала со стороны двигателя. Одно из колес наезжает на пятно льда. Сила сцепления этого колеса с дорогой резко уменьшается, и оно начинает вращаться в обратную сторону. Здесь происходит то же самое, что произойдет с рейками если ось сателлита сделать неподвижной, но оставить ему свободу вращения вокруг этой оси, то есть имитировать ситуацию, когда ось сателлита тормозится или удерживается двигателем. Если теперь двинуть вперед одну из зубчатых реек, то сателлит начнет вращаться и заставит вторую рейку двигаться назад. Здесь рейка, движимая вперед, соответствует колесу на сухой дороге, а рейка, движущаяся назад, — колесу, находящемуся на льду и вращающемуся в обратную сторону. На мой взгляд, вращение буксующего колеса в обратную сторону очень наглядно демонстрирует «стремление» дифференциала выполнить свое предназначение и выровнять силы на двух колесах ведущего моста. В данном случае это силы торможения. Благодаря их выравниваю исключается или сильно снижается вероятность заноса автомобиля при таком режиме торможения.
Можно рассматривать еще многие ситуации, возникающие при работе дифференциала. Но полагаю, что и сказанного достаточно, чтобы убедиться: — межколесный дифференциал всегда делит получаемый от двигателя крутящий момент поровну между двумя колесами одного ведущего моста.
А теперь вернемся к упомянутой в самом начале картинке с автомобилем, движущемся по кривой. Если автомобиль заднеприводной, то получающие одинаковый крутящий момент два задних колеса преобразуют эти крутящие моменты в две одинаковые силы тяги (если шины колес имеют одинаковый диаметр, одинаковое давление накачки и несут одинаковые части веса автомобиля). А две одинаковые силы тяги стремятся толкать автомобиль по прямой. Именно поэтому, водителю при прохождении поворота приходится твердо удерживать рулевое колесо. Строго говоря, дифференциал на таком автомобиле не столько помогает, сколько мешает прохождению поворота. Зато он прямо способствует устойчивости движения по прямой (вместе с углами установки передних колес).
У переднеприводного автомобиля ситуация несколько иная. Здесь силы тяги также одинаковы на двух колесах, но они «поворачиваются» вместе с поворачиваемыми колесами. Поэтому, например, переднеприводной машине легче выйти из глубокой скользкой колеи: повернутые передние ведущие колеса активно тянут куда нужно. А у заднеприводного, задние ведущие колеса активно толкают машину вдоль колеи.
Здесь рассмотрена лишь малая часть того, что следовало бы водителям знать о работе дифференциала и на это потребовалось много слов и картинок. Так может быть правы те, кто ограничивается пресловутой картинкой с разным пробегом у разных колес на повороте? Может быть. Но полагаю, что следует, если и не вдаваться в пространные разъяснения, то хотя бы просто написать, для чего действительно предназначен этот механизм. А кто захочет дойти до сути, найдет, где об этом почитать. И уж совсем ни к чему пропагандировать собственное неверное понимание этой сути.
