Пусть никто не думает, что великое создание Ньютона
может быть ниспровергнуто теорией относительности
или какой-нибудь другой теорией.
Ясные и широкие идеи Ньютона
навечно сохранят своё значение фундамента, на котором
построены наши современные физические представления…
1948 г., Альберт Эйнштейн
ШКАТУЛКА КАЧЕСТВЕННЫХ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ: ИНЕРЦИЯ
Дидактические материалы по физике для учащихся, а также их родителей;-) и, конечно же, для творческих педагогов.
Для тех, кто любит учиться!
Предлагаю Вашему вниманию 40
качественных задач по физике
на тему: «Инерция»
. Отдадим должное интеграции: биофизика
, художественная литература
, важные нюансы для автовладельцев, пассажиров и пешеходов
… По сложившейся традиции зелёных страничек побалуем себя шедеврами мировой живописи
… К некоторым задачам дадим развёрнутые ответы;-) и… лирическое отступление из истории физики:
Галилеев принцип инерции – первый закон механики Ньютона
.
Задача №1
Выйдя из воды, собака встряхивается. Какое явление помогает ей в этом случае освободить шерсть от воды? Ответ поясните.
Задача №2
«Кладовая солнца», 1945 г., Михаил Михайлович Пришвин
«…Недолго пришлось Травке ждать. Тонким слухом своим она услыхала недоступное человеческому слуху чвяканье заячьей лапы по лужицам на болотной тропе. Лужицы эти выступили на утренних следах Насти. Русак непременно должен был сейчас показаться у самого Лежачего камня.
Травка за кустом можжевельника присела и напружинила задние лапы для могучего броска и, когда увидела уши, бросилась.
Как раз в это время заяц, большой, старый, матёрый русак, ковыляя еле-еле, вздумал внезапно остановиться и, даже привстав на задние ноги, послушать, далеко ли тявкает лисица.
Так вот одновременно сошлись: Травка бросилась, а заяц остановился.
И Травку перенесло через зайца.
Пока собака выправлялась, заяц огромными скачками летел уже по Митрашиной тропе прямо на Слепую елань…»
Почему Травку перенесло через зайца?
Ответ: Когда заяц внезапно остановился, собака Травка по инерции продолжала своё движение вперёд и перескочила через зайца.
Задача №3
Заяц, спасаясь от преследующего его волка, делает резкие прыжки в сторону. Почему волку трудно поймать зайца, хотя он бегает быстрее?
Ответ: В тот момент, когда заяц делает резкий поворот, волк по инерции продолжает движение вперёд и не может схватить зайца.
|
|
|
Комаров Алексей Никанорович (1879–1977) считается основоположником русской анималистической школы. Алексей Никанорович Комаров иллюстрировал научные и детские книги, создавал рисунки для марок, почтовых открыток, наглядных пособий. Несколько поколений детей выросло, учась по учебникам с его замечательными рисунками.
Для любознательных: Зимняя шуба у зайца-русака немногим светлее летней (в отличие от зайцев-беляков, русаки никогда не бывают зимой белоснежными); голова, кончики ушей и передняя часть спины и зимой остаются тёмными. Зимняя шуба у зайца-беляка – ослепительно белая, за исключением чёрных кончиков ушей. Впрочем… в областях, где нет устойчивого снегового покрова, зайцы на зиму не белеют;-)
Задача №4
Созревшие стручки бобовых растений, быстро раскрываясь, описывают дуги. Какое явление положено в основу такого метода распространения семян?
Ответ: Созревшие стручки бобовых растений, быстро раскрываясь, описывают дуги – в это время семена, отрываясь от мест прикрепления, по инерции движутся по касательной в стороны и падают значительно дальше материнского растения.
Инерция в живой природе:: Летающие рыбы
Для любознательных: В тропических зонах Атлантического и Индийского океанов часто наблюдают полёт так называемых летучих рыб, которые, спасаясь от морских хищников, выскакивают из воды и совершают при благоприятном ветре планирующий полёт, покрывая расстояния до 200-300 м на высоте 5-7 м. Рыба поднимается в воздух благодаря быстрым и сильным колебаниям хвостового плавника. Вначале рыба несётся по поверхности воды, затем сильный удар хвоста поднимает её в воздух. Распластанные длинные грудные плавники поддерживают тело рыбы наподобие планера. Полёт летающей рыбы стабилизируется хвостовыми плавниками; рыбы движутся по инерции.
Альфред Эдмунд Брем (Alfred Edmund Brehm; 02.02.1829–11.11.1884) – немецкий учёный-зоолог и путешественник, автор знаменитой научно-популярной работы «Жизнь животных» .
Любителям анималистики предлагаю заглянуть на зелёные странички:
§ Цуцик это кто? Малюсенькое исследование
цуцик бывает разный:-)
§ Фридрих Вильгельм Кунерт
Львы, слоны, тигры, птицы…
§ Картины-загадки художника Стивена Гарднера (I часть)
панды, чёрные медведи (барибалы), совы, волки
§ Картины-загадки художника Стивена Гарднера (II часть)
лошади, койоты, пумы, моржи
§ Картины-загадки художника Стивена Гарднера (III часть)
морские черепахи, киты, косатки, дельфины
Задача №5
«Лягушка-путешественница», 1887 г., Всеволод Михайлович Гаршин
«…Тут лягушка уж не выдержала и, забыв всякую осторожность, закричала изо всей мочи:
– Это я! Я!
И с этим криком она полетела вверх тормашками на землю. Утки громко закричали; одна из них хотела подхватить бедную спутницу на лету, но промахнулась. Лягушка, дрыгая всеми четырьмя лапками, быстро падала на землю; но так как утки летели очень быстро, то и она упала не прямо на то место, над которым закричала и где была твёрдая дорога, а гораздо дальше, что было для неё большим счастьем, потому что она бултыхнулась в грязный пруд на краю деревни.
Она скоро вынырнула из воды и тотчас же опять сгоряча закричала во всё горло:
– Это я! Это я придумала!…»
Почему лягушка упала на землю не на то место, над которым она начала падать?
Ответ: Лягушка, падая вниз, по инерции сохраняла свою горизонтальную скорость, поэтому упала не на то место, над которым она начала падать.
Задача №6
Почему при землетрясении разрушаются здания и мосты? Почему во время землетрясений рекомендуется при возможности покинуть здание и перейти на открытое пространство?
Ответ: Основной причиной разрушений при землетрясениях являются сильные подземные толчки и сотрясания земли, достигающие земной поверхности. Вследствие инерции и жёсткости конструкции наземных сооружений они разрушаются.
Вся земля сотряслась, туч метнулась гряда.
Сотрясенье земли унесло города…
Все оковы небес разомкнуться смогли.
Свёл разгул сотрясенья суставы земли,
Сжал он бедную землю в такие тиски,
Что огромные скалы разбил на куски…
Низами
Низами Гянджеви Абу Мухаммед Ильяс ибн Юсуф (около 1141 – около 1209) – классик персидской поэзии, один из крупнейших поэтов средневекового Востока.
Басин Пётр Васильевич (1793–1877) – русский жанровый живописец и портретист.
Задача №7
Почему автомобиль с неисправными тормозами запрещается буксировать с помощью гибкого троса?
Задача №8
Почему при поворотах водитель снижает скорость движения машины?
Задача №9
Почему необходимо надёжно закреплять грузы в кузове грузовика?
Задача №10
Почему нельзя перебегать улицу перед близко идущим транспортом?
Задача №11
Почему не следует прыгать на ходу с подножки автобуса или трамвая?
|
Зуев Агап Сергеевич (31.01.1922–1985) – советский, российский живописец. Член Союза художников СССР.
Задача №12
Почему при быстрой остановке мотоцикла тормозят обоими колёсами? Что может произойти, если затормозить только передним колесом?
Задача №13
Зачем должен включаться на автомобиле задний красный свет, когда водитель автомобиля нажимает на тормозную педаль?
|
Пименов Юрий Иванович (1903–1977) – советский живописец и график. Народный художник СССР. Лауреат Ленинской и двух Сталинских премий второй степени.
Задача №14
Объясните причину того, что при резком торможении автомобиля его передняя часть опускается вниз.
Ответ: Передняя часть автомобиля при резком торможении продолжает двигаться по инерции, поворачиваясь вокруг своих передних колёс на небольшой угол, что и приводит к её опусканию.
Задача №15
Какие произошли изменения в движении автомобиля, если пассажир оказался прижатым к спинке сиденья; к правой части спинки сиденья?
Ответ: Автомобиль начал увеличивать скорость; стал поворачивать налево.
Задача №16
Объясните назначение ремней и подушек безопасности в автомобиле. Почему эффективность работы подушек безопасности зависит от того, пристёгнут ли водитель и пассажир переднего сидения ремнями безопасности? Почему выброс подушек безопасности в случае аварии может нанести серьёзные травмы водителю и пассажиру автомобиля в том случае, если они не были пристёгнуты ремнями безопасности?
Задача №17
Предупреждающие дорожные знаки информируют водителей о приближении к опасному участку дороги, движение по которому требует принятия мер, соответствующих обстановке. Перед Вами три предупреждающих дорожных знака. Дайте каждому из них пояснение и укажите, какие меры должен предпринять водитель транспортного средства, увидев такой знак.
Предупреждающие дорожные знаки
|
|
|
Ответ: Номер знака: 1.15 – Скользкая дорога . Участок дороги с повышенной скользкостью проезжей части. . Номер знака: 1.23 – Дети . Участок дороги вблизи детского учреждения (школы, оздоровительного лагеря и тому подобного), на проезжей части которого возможно появление детей. Водитель обязан снизить скорость . Номер знака: 1.27 – Дикие животные . Знак предупреждает о том, что на дорогу могут выбегать дикие животные. Водитель обязан снизить скорость .
Задача №18
Для чего перед взлётом, а также посадкой самолёта, пассажиры обязаны пристегнуться ремнями безопасности?
Задача №19
Для чего пассажирам, стоящим в автобусе, трамвае или троллейбусе следует держаться за поручни?
Задача №20
В какую сторону отклоняются пассажиры автобуса при резком увеличении скорости? при внезапной остановке?
Задача №21
Какое изменение произошло в движении речного трамвая, если пассажиры вдруг отклонились вправо?
Задача №22
В какую сторону падает споткнувшийся человек? поскользнувшийся человек? Почему?
Задача №23
«Чук и Гек», 1939 г., Аркадий Петрович Гайдар
«…Весь следующий день дорога шла лесом и горами. На подъёмах ямщик соскакивал с саней и шёл по снегу рядом. Но зато на крутых спусках сани мчались с такой быстротой, что Чуку с Геком казалось, будто бы они вместе с лошадьми и санями проваливаются на землю прямо с неба.
Наконец под вечер, когда и люди и кони уже порядком устали, ямщик сказал:
– Ну, вот и приехали! За этим мыском поворот. Тут, на поляне, и стоит ихняя база… Эй, но-о!… Наваливай!
Весело взвизгнув, Чук и Гек вскочили, но сани дёрнули, и они дружно плюхнулись в сено…»
Почему когда сани дёрнули, мальчишки плюхнулись в сено?
Ответ: Туловища мальчишек по инерции сохраняли состояние покоя, а ноги начали вместе с санями движение вперёд, поэтому Чук и Гек упали назад и плюхнулись в сено.
Задача №24
Почему во время ледохода на поворотах реки образуются заторы льда?
Задача №25
Почему при сплаве леса большое количество брёвен выбрасывается на берег, на поворотах реки? Почему во многих странах разрешён сплав деревьев только плотами?
Белов Кондратий Петрович (23.03.1900–04.05.1988) – советский живописец. Народный художник РСФСР. В 1949 году пейзаж «Лесосплав на Иртыше» был включён в состав выставки советского искусства экспонировавшейся в ряде зарубежных стран. Искусствоведы называли его первым полным и выразительным портретом Сибири .
Для любознательных: Лесосплав – традиционный и самый дешёвый способ его транспортировки к деревообрабатывающим предприятиям. Наиболее интенсивный лесоповал обычно производится зимой, поскольку так лесу причиняется меньше ущерба. На санях, которые тащат трактора или мощные машины, лес подвозят к берегу замёрзшей реки. Затем, в период весеннего половодья, сплавщики спускают его на воду. При молевом сплаве дальше лес плывет самостоятельно. При сплаве плотами – из брёвен связывают плоты. Свободно плывущие по реке деревья быстро намокают и опускаются на дно. Большое количество брёвен выбрасывается на берег, на поворотах реки. Кроме того, при большом количестве спускаемых одновременно деревьев, их стволы наносят непоправимый ущерб речной фауне, обрывая водоросли и тем самым лишая корма рыбу и земноводных. При гниении затонувших стволов в воду переходят и ядовитые для рыбы вещества. Наконец, торчащие со дна реки стволы представляют большую опасность для речных судов. Своевременно не выловленные из реки стволы становятся непригодными для промышленного использования. Вот почему во многих странах разрешён сплав деревьев только плотами .
Задача №26
Почему запрещается резко поднимать груз подъёмным краном?
Задача №27
Когда электровоз резко трогает с места поезд, может произойти разрыв сцепки. В каком составе вероятнее всего произойдёт разрыв, в нагруженном или в порожнем? Почему?
Задача №28
Как располагается свободная поверхность нефти в цистерне, когда электровоз набирает скорость? когда он замедляет ход? Сопроводите свой ответ рисунками.
Задача №29
Поезд подходит к станции и замедляет своё движение. В каком направлении в это время легче тащить по полу вагона тяжёлый чемодан – по ходу поезда или в обратную сторону?
Ответ: По ходу поезда.
Задача №30
Почему после выключения двигателя сверлильного станка (электродрели) патрон продолжает вращаться?
Инерция в военной технике:: Артиллерия
То не гром грохочет в тучах и не молнии горят –
Это голосом могучим наши пушки говорят!
Не трогай, враг, земли родной, страну труда не тронь!
Святая месть ведёт на бой! Прицел верней! Огонь! Огонь! Огонь!…
«Марш артиллерии», 1944 г.
слова: Сергей Александрович Васильев
музыка: Анатолий Григорьевич Новиков
Усыпенко Фёдор Павлович (1917–2000) – советский живописец, член Союза художников СССР. Народный художник РСФСР.
Для любознательных: Явление инерции использовано при устройстве взрывателей артиллерийских снарядов. Когда снаряд, ударяясь о препятствие, внезапно останавливается, взрывной капсюль, помещающийся внутри снаряда, но не связанный жёстко с его корпусом, продолжает двигаться по инерции и наскакивает на жало взрывателя, связанного с корпусом. Подобным же образом значительное ускорение, получаемое снарядом в момент выстрела, используется для того, чтобы отвести предохранитель, устраняющий опасность взрыва снаряда при его хранении, при перевозке или при заряжении орудия.
Задача №31
Все крупинки точильного камня двигаются вместе с ним по окружности. Но как только крупинка откалывается от камня, её движение становится прямолинейным. Почему?
Задача №32
Чтобы столбик ртути в медицинском термометре опустился, термометр «встряхивают» – опускают вниз, а затем резко останавливают. Какова причина опускания столбика ртути?
Ответ: В момент резкой остановки корпуса термометра ртуть по инерции продолжает движение и опускается.
Задача №33
Зачем велосипедист, приближаясь к подъёму дороги, увеличивает скорость движения?
Задача №34
Для чего делают разбег при прыжках в длину и в высоту? Почему легче перепрыгнуть через лужу, ручеёк, арык с разбега?
Задача №35
Почему удары о наковальню паровых молотов сотрясают почву гораздо меньше при тяжёлых наковальнях, чем при более лёгких? Почему наковальня должна быть значительно массивнее молота?
Задача №36
Почему полную чашку чая или тарелку супа нельзя резко и быстро поставить на стол не разлив?
Задача №37
Есть два способа колки поленьев. В первом случае полено ударяют быстро движущимся топором. Во втором – слабым ударом загоняют топор в полено, а потом, взмахнув топором с насаженным поленом, бьют обухом о колодку. Объясните механические явления, наблюдаемые при этом.
Ответ: В том случае, когда колют дрова, ударяя по полену топором, он, продолжая движение вследствие инертности, входит глубоко в неподвижное полено. Когда же ударяют обухом топора, частично вошедшего в полено о колодку, на которой колют дрова, топор останавливается, а полено продолжает движение вследствие инертности и раскалывается.
Задача №38
Что произойдёт с наездником, если лошадь, прыгая через препятствие, споткнётся?
Ответ: При резкой остановке лошади всадник, двигаясь по инерции, упадёт вперёд через голову коня.
Задача №39
Почему линейка, подвешенная на бумажных кольцах, при резком ударе по ней переламывается, а кольца остаются целыми?
Задача №40
Положите на стакан почтовую открытку, а на открытку положите монету. Ударьте по открытке щелчком. Почему открытка отлетает, а монета падает в стакан?
Ответ: Вследствие инертности монеты и недостаточного взаимодействия монеты и открытки.
И в заключение… немножечко из истории физики …
Дайте мне материю и движение и я построю Вселенную.
1640 г., Рене Декарт
Рене Декарт (Rene Descartes; 31.03.1596–11.02.1650) – французский философ, математик, механик, физик и физиолог, создатель аналитической геометрии и современной алгебраической символики.
Галилеев принцип инерции – первый закон механики Ньютона
|
о сущности движения и системе мира… Движение
|
|
|
Галилео Галилей
(Galileo Galilei; 15.02.1564–08.01.1642) – итальянский физик, механик, астроном, философ и математик. Галилео Галилея по праву называют отцом-основателем экспериментальной физики.
Юстус Сустерманс
(Justus Sustermans; 1597–1681) – фламандский живописец эпохи барокко.
В первой части своего стихотворения «Движение»
Александр Сергеевич Пушкин
описывает спор древнегреческих учёных о сущности движения
. Во второй части он имеет в виду существование двух противоположных систем мира – геоцентрической
(Земля неподвижна, а Солнце ходит вокруг Земли) и гелиоцентрической
(Земля вращается вокруг Солнца), созданных Клавдием Птолемеем
и Николаем Коперником
.
Не напрасно упомянут здесь и упрямый;-) Галилео Галилей
.
В 1632 году во Флоренции вышел в свет труд Галилео Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира» (о геоцентрической системе Птолемея и гелиоцентрической системе мира Коперника). В нём Галилей заложил основы динамики – принцип инерции и классический принцип относительности .
В 1687 году Исаак Ньютон
сформулировал законы динамики. Стали понятными и поддающимися расчёту не только движение планет вокруг Солнца, но и гораздо более сложные явления. В качестве первого закона динамики Исаак Ньютон принял Галилеев принцип инерции
.
Галилей сформулировал этот принцип в виде следствия из проведённых им опытов при изучении падения тел по наклонной плоскости.
Галилей не различал понятий «сила»
и «вес»
, поэтому установленный им принцип инерции
не претендовал на фундаментальный закон природы.
Ньютон же поставил закон инерции (Галилеев принцип инерции)
во главу всей своей системы механики.
В современной формулировке принцип инерции утверждает, что всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не выводит его из этого состояния .
Исаак Ньютон
(Sir Isaac Newton; 04.01.1643–31.03.1727) – английский физик, математик, механик и астроном, один из создателей классической физики. Автор фундаментального труда «Математические начала натуральной философии», в котором он изложил закон всемирного тяготения и три закона механики, ставшие основой классической механики.
Торнхилл Джеймс
(James Thornhill; 25.07.1675–13.05.1734) – английский живописец, основоположник исторической английской живописи.
…от явлений движения к исследованию природы сил и затем от этих сил – к демонстрации других явлений: … движения планет, комет, Луны и моря…
1686 г., Исаак Ньютон
Желаю Вам успехов в самостоятельном решении
качественных задач по физике!
Литература:
§ Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики
§ Лукашик В.И. Физическая олимпиада
Москва: издательство «Просвещение», 1987
§ Тарасов Л.В. Физика в природе
Москва: издательство «Просвещение», 1988
§ Перельман Я.И. Знаете ли вы физику?
Домодедово: издательство «ВАП», 1994
§ Золотов В.А. Вопросы и задачи по физике 6-7 класс
Москва: издательство «Просвещение», 1971
§ Тульчинский М.Е. Качественные задачи по физике
Москва: издательство «Просвещение», 1972
§ Кириллова И.Г. Книга для чтения по физике 6-7 класс
Москва: издательство «Просвещение», 1978
§ Ердавлетов С.Р., Рутковский О.О. Занимательная география Казахстана
Алма-Ата: издательство «Мектеп», 1989.
Теория движения поезда является составной частью прикладной науки о тяге поездов, изучающей вопросы движения поездов и работы локомотивов. Для более ясного понимания процесса работы электровоза необходимо знать основные положения этой теории.
Прежде всего рассмотрим основные силы, действующие на поезд при движении,- это сила тяги F, сопротивление движению W
и тормозная сила В.
Машинист может изменять силу тяги и тормозную силу; силой сопротивления движению управлять нельзя.
Как же образуются эти силы, от чего они зависят?
Мы уже говорили, что каждая движущая колесная пара электровоза имеет отдельный тяговый двигатель, который связан с ней зубчатым редуктором (рис. 3, а). Малое зубчатое колесо редуктора (шестерня) насажено на вал тягового двигателя, а большое - на ось колесной пары. Отношение числа зубьев большого колеса к числу зубьев малого называют передаточным отношением i. Если пустить в ход тяговый двигатель, то на его валу создается вращающий момент. Частота вращения колесной пары будет в i раз меньше частоты вращения вала двигателя, зато вращающий момент соответственно в i раз больше (если не учитывать коэффициента полезного действия зубчатой передачи).
Рассмотрим условия, необходимые для того, чтобы электровоз начал двигаться.
Если бы колеса электровоза не касались рельсов, то после пуска тяговых двигателей они бы просто вращались, оставаясь на одном и том же месте. Однако из-за того, что колеса локомотива соприкасаются с рельсами при передаче на оси колесных пар вращающих моментов М, между поверхностями колес и рельсами появляется сила сцепления.
Попутно отметим, что первоначально при создании первых локомотивов - паровозов вообще сомневались в возможности движения их по «гладкому» рельсовому пути. Поэтому было предложено создать зубчатое зацепление между колесами паровоза и рельсами (паровоз Бленкинсона). Был также построен локомотив (паровоз Брунтона), который передвигался по рельсам с помощью специальных устройств, поочередно отталкивающихся от пути. К счастью, эти сомнения не оправдались.
Момент М (см. рис. 3), приложенный к колесу, образует пару сил Fк - Fк" с плечом R. Сила Fк направлена против движения. Она стремится переместить опорную точку колеса относительно рельса в сторону, противоположную направлению движения. Этому препятствует возникающая под действием нажатия колеса на рельс в опорной точке сила реакции рельса, так называемая сила сцепления Fсц. Согласно третьему закону Ньютона она равна и противоположна силе Fк, т. е. Fсц = Fк. Эта сила и заставляет колесо, а следовательно, и электровоз перемещаться по рельсу.
В месте соприкосновения колеса с рельсом имеются две точки, одна из которых принадлежит бандажу Аб, а другая - рельсу Ар. У электровоза, стоящего неподвижно, эти точки сливаются в одну. Если в процессе передачи колесу вращающего момента точка Аб сместится относительно точки Ар, то в следующее мгновение с точкой Ар начнут поочередно соприкасаться точки бандажа Бб, Вб и т. д. При этом локомотив не приходит в движение, а если он уже двигался, то скорость его резко уменьшается, колесо теряет упор и начинает проскальзывать относительно рельса -боксовать.
В случае когда точки Ар и Аб не имеют относительного смещения, в каждый последующий момент времени они выходят из контакта, но одновременно непрерывно вступают в контакт следующие точки: Бб с Бр, Вб с Вр и т. д.
Точка контакта колеса и рельса представляет собой мгновенный центр вращения. Очевидно, что скорость, с которой перемещается вдоль рельсов мгновенный центр вращения, равна скорости поступательного движения локомотива.
Для осуществления движения электровоза необходимо, чтобы сила сцепления в точке касания колеса и рельса Fсц, равная, но противоположная по направлению силе Fк, не превышала некоторого предельного значения. До тех пор, пока она его не достигла, сила Fсц создает реактивный момент FсцR, который по условию равномерного движения должен равняться вращающему моменту М= FcцR.
Сумма сил сцепления в точках касания всех колес электровоза определяет общую силу, называемую касательной силой тяги Fк. Нетрудно представить, что имеется некоторая максимальная сила тяги, ограничиваемая силами сцепления, при которой еще не происходит боксование.
Возникновение силы сцепления несколько упрощенно можно объяснить следующим образом. На кажущихся гладкими поверхностях рельсов и колес имеются неровности. Так как площадь соприкосновения (контактная поверхность) колеса и рельса очень мала, а нагрузка от колес на рельсы значительна, то в месте контакта возникают большие давления. Неровности колеса вдавливаются в неровности на поверхности рельсов, в результате чего происходит сцепление колеса с рельсом.
Установлено, что сила сцепления прямо пропорциональна силе нажатия - нагрузке от всех движущихся колес на рельсы. Эту нагрузку называют сцепным весом локомотива.
Для подсчета наибольшей силы тяги, которую может развить локомотив, не превышая силы сцепления, кроме сцепного веса, необходимо еще знать коэффициент сцепления. Умножив сцепной вес локомотива на этот коэффициент, определяют силу тяги.
Проблеме максимального использования силы сцепления колес с рельсами посвящены работы многих ученых и практиков. Окончательно она не решена до сих пор.
Чем же определяется значение коэффициента сцепления? Прежде всего он зависит от материала и состояния соприкасающихся поверхностей, формы бандажей и рельсов. С повышением твердости бандажей колесных пар и рельсов коэффициент сцепления увеличивается. При мокрой и загрязненной поверхности рельсов коэффициент сцепления ниже, чем при сухой и чистой. Влияние состояния поверхности рельсов на коэффициент сцепления можно проиллюстрировать следующим примером. В газете «Труд» от 13 декабря 1973 г. в заметке «Улитки против паровоза» сообщалось о том, что один из поездов в Италии был вынужден остановиться на несколько часов. Причиной задержки оказалось огромное количество улиток, переползающих через железнодорожное полотно. Машинист пытался провести поезд через эту движущуюся массу, но безуспешно: колеса боксовали и он не мог сдвинуться с места. Лишь после того, как поток улиток поредел, поезд смог тронуться.
Коэффициент сцепления зависит также он конструкции электровоза - устройства рессорного подвешивания, схемы включения тяговых двигателей, их расположения, рода тока, состояния пути (чем больше деформируются рельсы или проседает балластный слой, тем ниже реализуемый коэффициент сцепления) и других причин. Как влияют эти причины на реализацию силы тяги, будет рассказано далее в соответствующих параграфах книги. Коэффициент сцепления зависит также от скорости движения поезда: в момент трогания состава он больше, с возрастанием скорости реализуемый коэффициент сцепления сначала несколько увеличивается, затем падает. Как известно, значение его изменяется в широких пределах - от 0,06 до 0,5. Вследствие того что коэффициент сцепления зависит от многих причин, для определения максимальной силы тяги, которую может развивать электровоз без боксования, пользуются расчетным коэффициентом сцепления. Он представляет собой отношение наибольшей силы тяги, надежно реализуемой в условиях эксплуатации, к сцепному весу локомотива. Расчетный коэффициент сцепления определяют по эмпирическим формулам, зависящим от скорости; они получены на основании многочисленных исследований и опытных поездок с учетом достижений передовых машинистов.
При трогании с места, т. е. когда скорость равна нулю, расчетный коэффициент сцепления у электровозов постоянного тока и двойного питания составляет 0,34 (0,33 для электровозов серии ВЛ8) и 0,36 для электровозов переменного тока. Так, для электровоза двойного питания ВЛ82М, сцепной вес которого Р= 1960 кН (200 тс), касательная сила тяги Fк с учетом расчетного коэффициента Fк= 1960 * 0,34=666 кН (68 тс).
Если поверхность рельсов загрязнена и коэффициент сцепления понизился, допустим, до 0,2, то сила тяги Fк составит 392 кН (40 тс). При подаче песка этот коэффициент сцепления может возрасти до прежнего значения и даже превысить его. Особенно эффективно применение песка при малых скоростях движения: до скорости 10 км/ч на мокрых рельсах коэффициент сцепления увеличивается на 70-75%. Эффект от применения песка снижается с ростом скорости.
Очень важно обеспечить при трогании и движении наибольший коэффициент сцепления: чем он выше, тем большую силу тяги может реализовать электровоз, тем большей массы состав можно будет вести.
Сопротивление движению поезда W возникает вследствие трения колес о рельсы, трения в буксах, деформации пути, сопротивления воздушной среды, сопротивления, обусловленного спусками и подъемами, кривыми участками колеи и т. п. Равнодействующая всех сил сопротивления обычно направлена против движения и лишь на очень крутых спусках совпадает с направлением движения.
Сопротивление движению разделяют на основное и дополнительное. Основное сопротивление действует постоянно и возникает, как только поезд начинает двигаться; дополнительное обусловлено уклонами пути, кривыми, температурой наружного воздуха, сильным ветром, троганием с места.
Вычислить отдельные составляющие основного сопротивления движению поезда очень сложно. Обычно его подсчитывают для вагонов каждого типа и локомотивов разных серий по эмпирическим формулам, полученным на основании результатов многих исследований и испытаний в различных условиях. Основное сопротивление возрастает по мере увеличения скорости. При больших скоростях в нем преобладает сопротивление воздушной среды.
Учитывая основное сопротивление движению локомотива W, кроме касательной силы тяги электровоза, вводят понятие силы тяги на автосцепке Fn (рис. 4): Fn= Fк- W. При условии равномерного движения Fn= W", где W" - сопротивление движению состава.
В процессе ведения поезда для уменьшения скорости, остановки или для поддержания его постоянной скорости на спусках применяют тормоза, создающие тормозную силу В. Тормозная сила образуется вследствие трения тормозных колодок о бандажи колес (механическое торможение) или при работе тяговых двигателей в качестве генераторов. В результате прижатия тормозной колодки к бандажу силой К (см. рис. 3, б) на нем возникает сила трения Т= фкК, где фк - коэффициент трения. Благодаря этому образуется сила сцепления В на бандаже в точке его соприкосновения с рельсом, равная силе Т. Сила В является тормозной: она препятствует движению поезда.
Максимальное значение тормозной силы определяется теми же условиями, что и силы тяги Fк. Чтобы избежать юза (скольжение без вращения колес по рельсам) при торможении, должно быть выполнено условие
Т<фкК< Bmax
Коэффициент трения тормозных колодок о бандаж зависит от скорости движения, удельного нажатия колодок на колесо и их материала. Этот коэффициент с повышением скорости и удельного нажатия уменьшается вследствие повышения температуры трущихся поверхностей. Поэтому применяют двустороннее нажатие на колеса при торможении.
В зависимости от приложенных к поезду сил различают три режима движения поезда:
тяга (движение под током), выбег (без тока), торможение.
В момент трогания и в период дальнейшего движения под током на поезд действуют сила тяги Fк и сопротивление движению поезда W. Характер изменения скорости в зависимости от времени на участке кривой ОА (рис. 5) определяется разностью сил FK и W, называемой ускоряющей силой тяги
. Чем больше эта разность, тем больше ускорение поезда. Сопротивление движению, как уже было отмечено,- величина переменная, зависящая от скорости. С увеличением скорости оно возрастает. Поэтому если сила тяги неизменна, ускоряющая сила тяги будет уменьшаться. После некоторой точки О" сила тяги уменьшается. Затем наступает такой момент, когда Fк= W и поезд под током двигается с постоянной скоростью (участок кривой АБ).
Далее машинист может отключить двигатели и продолжить движение на выбеге (участок БВ) за счет кинетической энергии поезда. При этом на поезд действует только сила сопротивления движению W, снижающая его скорость, если поезд не движется по крутому спуску. При включении машинистом тормозов (от точки В до точки Г) на поезд действуют две силы - сопротивление движению W и тормозная сила В. Скорость поезда снижается. Сумма сил В и W представляет собой замедляющую силу . Возможен и такой случай движения, когда поезд движется по крутому спуску и машинист использует тормозную силу для поддержания постоянной допустимой скорости.
Вождение грузовых поездов по различным элементам профиля пути. Порядок остановки на различном профиле пути, трогание с места.
Общие положения.
При движении грузовой поезд, состоящий из головного локомотива и состава из грузовых вагонов представляет из себя, сложную механическую систему, на которую действуют множество сил. Сам поезд представляет собой набор жёстких элементов (вагонов) соединённых между собой гибкими связями (автосцепки с поглащающими аппаратами). Груз в вагонах, например «наливной» может перемещаться при движении и оказывать действие на поезд. Профиль пути неоднородный, состоит из площадок и уклонов(подъёмы, спуски) различной длины и крутизны. Вагоны имеют различную загрузку и располагаются по длине поезда хаотично. На участке следования поезда имеются места ограничения скорости, которые располагаются на не благоприятном профиле пути. Машинисту для выполнения графика движения приходится постоянно изменять режимы движения поезда. Все перечисленные факторы при движении влияют на возникновение продольно динамических реакций в составе, которые могут вызвать обрыв автосцепки, смещение-развал груза, сход вагонов.
При движении, как правило, поезд находится в трёх состояниях: сжатом, полу сжатом, растянутым. Основой уменьшения продольно-динамических реакций является плавный переход из одного состояния в другое. Для этого машинист, в соответствии с профилем пути, весом и длиной поезда, расположением гружёных вагонов соответствующим образом производит набор, сброс позиций котроллера, применяет вспомогательный тормоз электровоза, выполняет служебные торможения. Из-за постоянно изменяющихся эксплуатационных факторов каждый машинист по своему осуществляет различные режимы ведения поездов, руководствуясь при этом режимными картами, опытом, интуицией.
Основными факторами автоматического перехода поезда из одного состояние в другое являются:
- Локомотив имеет большее основное сопротивление движению по отношению к вагонам, поэтому после отключения тяги поезд на любом профиле пути переходит в полу сжатое состояние.
- При применении вспомогательного тормоза локомотива, применении автотормозов происходит сжатие поезда, и возникает реакция на выдавливание вагонов.
- При отпуске вспомогательного тормоза, автотормозов из-за действия сжатых пружин поглащающих аппаратов автосцепок головная или хвостовая часть поезда получает ускорение и возникает реакция на разрыв поезда.
- Резкое увеличение силы тяги, вызывает нарастающую реакцию по составу от головы к хвосту на разрыв поезда, особенно это опасно на стоянке, если не выдержано время на отпуск тормозов в хвосте поезда.
В пути следования запрещается применять электрический тормоз при следовании на запрещающий сигнал, вспомогательный для регулирования скорости и прекращения боксования колёсных пар.
Трогание с места и разгон поезда при отправлении со станции.
В начальной фазе отправления выполняется предупредительный толчок поезда. Это мероприятие необходимо на случай нахождения под вагонами работников станции или других лиц переходящих путь. Трогание должно далее сопровождаться остановкой поезда, при этом хвостовые вагоны должны сдвинуться на 1-2 м.
Убедившись в отсутствии людей вдоль состава машинист приводит поезд в движение набором 1-2 позиции(ВЛ80с), далее делает выдержку для приведения всего поезда в движение (5-10 м движения электровоза). Если поезд не приходит в движение на 2 позиции контроллера, тогда перед набором 3 позиции наполнить ТЦ электровоза, включить 3 позицию и отпустить ступенями тормоз локомотива.
Теория движения поезда является составной частью прикладной науки о тяге поездов, изучающей вопросы движения поездов и работы локомотивов. Для более ясного понимания процесса работы электровоза необходимо знать основные положения этой теории. Прежде всего рассмотрим основные силы, действующие на поезд при движении,- это сила тяги F сопротивление движению W тормозная сила В. Машинист может изменять силу тяги и тормозную силу; силой сопротивления движению управлять нельзя.
Как же образуются эти силы, от чего они зависят? Мы уже говорили, что каждая движущая колесная пара электровоза имеет отдельный тяговый двигатель, который связан с ней зубчатым редуктором (рис. 3, а). Малое зубчатое колесо редуктора (шестерня) насажено на вал тягового двигателя, а большое - на ось колесной пары. Отношение числа зубьев большого колеса к числу зубьев малого называют передаточным отношением. Если пустить в ход тяговый двигатель, то на его валу создается вращающий момент. Частота вращения колесной пары будет в 1 раз меньше частоты вращения вала двигателя, зато вращающий момент соответственно в 1 раз больше (если не учитывать коэффициента полезного действия зубчатой передачи).
Рассмотрим условия, необходимые для того, чтобы электровоз начал двигаться.
Если бы колеса электровоза не касались рельсов, то после пуска тяговых двигателей они бы просто вращались, оставаясь на одном и том же месте. Однако из-за того, что колеса локомотива соприкасаются с рельсами при передаче на оси колесных пар вращающих моментов М, между поверхностями колес и рельсами появляется сила сцепления.
Попутно отметим, что первоначально при создании первых локомотивов - паровозов вообще сомневались в возможности движения их по «гладкому» рельсовому пути. Поэтому было предложено создать зубчатое зацепление между колесами паровоза и рельсами (паровоз Бленкинсона). Был также построен локомотив (паровоз Брунтона), который передвигался по рельсам с помощью специальных устройств, поочередно отталкивающихся от пути. К счастью, эти сомнения не оправдались.
Момент M (см. рис. 3), приложенный к колесу, образует пару сил с плечом R. Сила FK направлена против движения. Она стремится переместить опорную точку колеса относительно рельса в сторону, противоположную направлению движения. Этому препятствует возникающая под действием нажатия колеса на рельс в опорной точке сила реакции рельса, так называемая сила сцепления Fcu Согласно третьему закону Ньютона она равна и противоположна силе FK. Эта сила и заставляет колесо, а следовательно, и электровоз перемещаться по рельсу.
В месте соприкосновения колеса с рельсом имеются две точки, одна из которых принадлежит бандажу Аб, а другая - рельсу Ар. У электровоза, стоящего неподвижно, эти точки сливаются в одну. Если в процессе передачи колесу вращающего момента точка Аб сместится относительно точки Лр, то в следующее мгновение с точкой Лр начнут поочередно соприкасаться точки бандажа. При этом локомотив не приходит в движение, а если он уже двигался, то скорость его резко уменьшается, колесо теряет упор и начинает проскальзывать относительно рельса - боксовать.
В случае когда точки Ар и Аб не имеют относительного смещения, в каждый последующий момент времени они выходят из контакта, но одновременно непрерывно вступают в контакт следующие точки: Бб с Бр, Вб с Вр и т. д.
Точка контакта колеса и рельса представляет собой мгновенный центр вращения. Очевидно, что скорость, с которой перемещается вдоль рельсов мгновенный центр вращения, равна скорости поступательного движения локомотива.
Для осуществления движения электровоза необходимо, чтобы сила сцепления в точке касания колеса и рельса feu, равная, но противоположная по направлению силе FK, не превышала некоторого предельного значения. До тех пор, пока оиа его не достигла, сила FC создает реактивный момент FCVLR, который по условию равномерного движения должен равняться вращающему моменту.
Сумма сил сцепления в точках касания всех колес электровоза определяет общую силу, называемую касательной еилой тяги FK. Нетрудно представить, что имеется некоторая максимальная сила тяги, ограничиваемая силами сцепления, при которой еще не происходит боксование.
Возникновение силы сцепления несколько упрощенно можно объяснить следующим образом. На кажущихся гладкими поверхностях рельсов и колес имеются неровности. Так как площадь соприкосновения (контактная поверхность) колеса и рельса очень мала, а нагрузка от колес на рельсы значительна, то в месте контакта возникают большие давления. Неровности колеса вдавливаются в неровности на поверхности рельсов, в результате чего происходит сцепление колеса с рельсом.
Установлено, что сила сцепления прямо пропорциональна силе нажатия - нагрузке от всех движущихся колес на рельсы. Эту нагрузку называют сцепным весом локомотива.
Для подсчета наибольшей силы тяги, которую может развить локомотив, не превышая силы сцепления, кроме сцепного веса, необходимо еще знать коэффициент сцепления. Умножив сцепной вес локомотива на этот коэффициент, определяют силу тяги.
Проблеме максимального использования силы сцепления колес с рельсами посвящены работы многих ученых и практиков. Окончательно она не решена до сих пор.
Чем же определяется значение коэффициента сцепления? Прежде всего он зависит от материала и состояния соприкасающихся поверхностей, формы бандажей и рельсов. С повышением твердости бандажей колесных пар и рельсов коэффициент сцепления увеличивается. При мокрой и загрязненной поверхности рельсов коэффициент сцепления ниже, чем при сухой и чистой. Влияние состояния поверхности рельсов на коэффициент сцепления можно проиллюстрировать следующим примером. В газете «Труд» от 13 декабря 1973 г. в заметке «Улитки против паровоза» сообщалось о том, что один из поездов в Италии был вынужден остановиться на несколько часов. Причиной задержки оказалось огромное количество улиток, переползающих через железнодорожное полотно. Машинист пытался провести поезд через эту движущуюся массу, но безуспешно: колеса боксовали и он не мог сдвинуться с места. Лишь после того, как поток улиток поредел, поезд смог тронуться.
Коэффициент сцепления зависит также он конструкции электровоза - устройства рессорного подвешивания, схемы включения тяговых двигателей, их расположения, рода тока, состояния пути (чем больше деформируются рельсы или проседает балластный слой, тем ниже реализуемый коэффициент сцепления) и других причин. Как влияют эти причины на реализацию силы тяги, будет рассказано далее в соответствующих параграфах книги. Коэффициент сцепления зависит также от скорости движения поезда: в момент трогания состава он больше, с возрастанием скорости реализуемый коэффициент сцепления сначала несколько увеличивается, затем падает. Как известно, значение его изменяется в широких пределах - от 0,06 до 0,5. Вследствие того что коэффициент сцепления зависит от многих причин, для определения максимальной силы тяги, которую может развивать электровоз без боксования, пользуются расчетным коэффициентом сцепления. Он представляет собой отношение наибольшей силы тяги, надежно реализуемой в условиях эксплуатации, к сцепному весу локомотива. Расчетный коэффициент сцепления определяют по эмпирическим формулам, зависящим от скорости; они получены на основании многочисленных исследований и опытных поездок с учетом достижений передовых машинистов.
При трогании с места, т. е. когда скорость равна нулю, коэффициент у электровозов постоянного тока и двойного питания составляет 0,34 (0,33 для электровозов серии ВЛ8) и 0,36 для электровозов переменного тока. Так, для электровоза двойного питания В Л 82м, сцепной вес которого Р= 1960 кН (200 тс), касательная сила тяги Fк с учетом расчетного коэффициента.
Если поверхность рельсов загрязнена и коэффициент сцепления понизился, допустим, до 0,2, то сила тяги Рк составит 392 кН (40 тс). При подаче песка этот коэффициент может возрасти до прежнего значения и даже превысить его. Особенно эффективно применение песка при малых скоростях движения: до скорости 10 км/ч на мокрых рельсах коэффициент сцепления увеличивается на 70-75%. Эффект от применения песка снижается с ростом скорости.
Очень важно обеспечить при трогании и движении наибольший коэффициент сцепления: чем он выше, тем большую силу тяги может реализовать электровоз, тем большей массы состав можно будет вести.
Сопротивление движению поезда W возникает вследствие трения колес о рельсы, трения в буксах, деформации пути, сопротивления воздушной среды, сопротивления, обусловленного спусками и подъемами, кривыми участками колеи и т. п. Равнодействующая всех сил сопротивления обычно направлена против движения и лишь на очень крутых спусках совпадает с направлением движения.
Сопротивление движению разделяют на основное и дополнительное. Основное сопротивление действует постоянно и возникает, как только поезд начинает двигаться; дополнительное обусловлено уклонами пути, кривыми, температурой наружного воздуха, сильным ветром, троганием с места.
Вычислить отдельные составляющие основного сопротивления движению поезда очень сложно. Обычно его подсчитывают для вагонов каждого типа и локомотивов разных серий по эмпирическим формулам, полученным на основании результатов многих исследований и испытаний в различных условиях. Основное сопротивление возрастает по мере увеличения скорости. При больших скоростях в нем преобладает сопротивление воздушной среды.
Учитывая основное сопротивление движению локомотива, кроме касательной силы тяги электровоза, вводят понятие силы тяги на автосцепке Fa (рис. 4).
В процессе ведения поезда для уменьшения скорости, остановки или для поддержания его постоянной скорости на спусках применяют тормоза, создающие тормозную силу В. Тормозная сила образуется вследствие трения тормозных колодок о бандажи колес (механическоеторможение) или при работе тяговых двигателей в качестве генераторов. В результате прижатия тормозной колодки к бандажу силой К (см. рис. 3, б) на нем возникает сила трения.
трения. Благодаря этому образуется сила сцепления В на бандаже в точке его соприкосновения с рельсом, равная силе Т. Сила В является тормозной: она препятствует движению поезда.
Максимальное значение тормозной силы определяется теми же условиями, что и силы тяги Чтобы избежать юза (скольжение без вращения колес по рельсам) при торможении, должно быть выполнено условие трения тормозных колодок о бандаж зависит от скорости движения, удельного нажатия колодок на колесо и их материала. Этот коэффициент с повышением скорости и удельного нажатия уменьшается вследствие повышения температуры трущихся поверхностей. Поэтому применяют двустороннее нажатие на колеса при торможении.
В зависимости от приложенных к поезду сил различают три режима движения поезда: тяга (движение под током), выбег (без тока), торможение.
В момент трогания и в период дальнейшего движения под током на поезд действуют сила тяги Fк и сопротивление движению поезда К. Характер изменения скорости в зависимости от времени на участке кривой ОА (рис. 5) определяется разностью сил. Чем больше эта разность, тем больше ускорение поезда. Сопротивление движению, как уже было отмечено,- величина переменная, зависящая от скорости. С увеличением скорости оно возрастает. Поэтому если сила тяги неизменна, ускоряющая сила тяги будет уменьшаться. После некоторой точки О сила тяги уменьшается. Затем наступает такой момент, когда Fк и поезд под током двигается с постоянной скоростью (участок кривой АБ).
Далее машинист может отключить двигатели и продолжить движение на выбеге (участок БВ) за счет кинетической энергии поезда. При этом на поезд действует только сила сопротивления движению снижающая его скорость, если поезд не движется по крутому спуску. При включении машинистом тормозов (от точки В до точки Г) на поезд действуют две силы - сопротивление движению и тормозная сила В. Скорость поезда снижается. Сумма сил В и представляет собой замедляющую силу. Возможен и такой случай движения, когда поезд движется по крутому спуску и машинист использует тормозную силу для поддержания постоянной допустимой скорости.
