Почему едут лыжи? (Страничка в школьный учебник физики?) Рассмотрим простую и достаточно грубую модель скольжения лыжи по снегу. При скольжении в зоне носка лыжи образуется (за счёт тепла от работы силы трения) водяная плёнка. Далее лыжа скользит по плёнке над поверхностью снега. При этом сила трения от скольжения по плёнке мала по сравнению с трением лыжи о сухой снег.
Масса воды в водяной плёнке, образующаяся в единицу времени:
m= V*h*d*p (1)
V-скорость движения h-толщина плёнки d-ширина лыжи p-плотность воды
Количество тепла (энергия), затрачиваемая в единицу времени на образование плёнки: Q=m*(C+q*T) (2)
m-масса С- удельная теплота плавления снега q- удельная теплоёмкость снега T- температура ниже нуля в градусах Цельсия Снег надо нагреть до 0 град. Цельсия и растопить
Работа силы трения в единцу времени: A=F*V F-сила трения v-скорость
Предположим, что вся работа силы трения уходит на образование водяной плёнки (Очень хорошо подготовленная трасса): Q=A (3) V*h*d*p*(C+q*T) = F*V
откуда
F=h*d*p*(C+q*T) (4)
Из (4) можно сделать ряд интересных выводов и задать несколько вопросов. 1. На хорошей трассе сила трения лыжи о снег не зависит от скорости !! На идеальной трассе тормозим за счёт сопротивления воздуха. 2. Быстрее едет узкая и длинная лыжа, чем широкая и короткая. Предельный случай - коньки на катке (Самая узкая лыжа и идеальная трасса). Замечательный вывод - стоило ради этого написать пару формул. 3. При некоторой отрицательной температуре энергии трения не хватит для прогревания снега и образования плёнки - лыжи 'встанут'. При сильных морозах лыжи не едут - известно всем лыжникам. Более того в морозную погоду лучше едут деревянные лыжи - дерево хуже отводит тепло, чем пластик и имеет больший коэффициент трения. 4. Если трасса плохо подготовлена (для данной лыжи !), большая часть энергии уходит на разгребание и уплотнение снега. Снег хрустит - лыжи не едут. Наша модель не работает . 5. А где же тут лыжные мази и парафины? Видимо модель слишком грубая? А может и не нужны они совсем? 6. Скользящая поверхность на носке у лыж Ф и А другого цвета - не только декоративный элемент? 7. На самом деле всё выглядит видимо несколько сложней. На неровной трассе (а она всегда неровная) поверхность лыжи трётся о снег не только носком, но многими элементами скользящей поверхности. Маленький элемент уже растопивший снег в водяную плёнку 'передаёт' её следующим за ним участкам скользящей поверхности. Но этот эффект распределён по всей скользящей поверхности. Поэтому все рассуждения применимы к микроучасткам, а полную картину даст интеграл по всей скользящей поверхности лыжи. Здесь же дана только качественная картина скольжения лыжи по снегу.
не уводят воду из под лыжи а равномерно распределяют ее по поверхности, излишки только выводят. Излишки - это когда получается подсос. Мокрое трение предпочтительнее сухого.
Насчет выдыхания - предлагаю использовать трубку типа тех, что в подводном скоростном плавании используются. Если совместить с аэродинамическим кокошником, то... ВПОЛНЕ ТЯНЕТ НА ПАТЕНТ стоимостью в 500 килоамериканских рублей. Кто будет подавать - прошу выплатить мне гонорар в размере 10%
То что сила трения не зависит от скорости вовсе не означает , что она равна нулю. Поэтому: 1. На хорошей трассе сила трения лыжи о снег не зависит от скорости !! На идеальной трассе тормозим за счёт сопротивления воздуха И ПОСТОЯННОЙ (НЕ ЗАВИСЯЩЕЙ ОТ СКОРОСТИ) СИЛЫ ТРЕНИЯ О СНЕГ.
Простите, но вы вообще решили другую задачу. А именно - какой должна быть сила трения для образования из снега пленки воды таких-то геометрических размеров. Грубо говоря, она не имеет ничего общего с нахождением силы трения лыжи о снег. Результаты в лыжном спорте измеряются не толщиной водяной пленки )
В школьном учебнике физики была бы такая простая %))модель: По снегу температуры t со скоростью v едет абсолютно жесткая прямоугольная лыжа шириной a, длиной b и массой m постоянной толщины. Коэффициент сухого трения - k, коэффициент "жидкого трения" - b. Найти совокупную силу трения.
Конечно модель грубая и в ней есть неточности и ошибки, но ... Даже такая простая модель позволяет объяснить (грубо и неточно) от чего зависит сила торможения лыжи при скольжении по снегу. И оценить возможность её уменьшения - то есть увеличения скорости. Повторю некоторые выводы: - широкая лыжа тормозит сильнее, чем узкая; - чем ниже температура - тем сильнее тормозит лыжа. Вязким жидким трением (формулу для которого привёл Дима в соседней ветке форума ) я пренебрёг что не совсем (или совсем не) верно.
Я не претендую на абсолютную истину (здорово завернул - прямо профессор), и благодрен всем кто откликнулся и откликнется.
Эти выводы можно прямо получить из допущений модели, без всяких формул. - про широкую лыжу - да, потому что считаем снег абсолютно жестким - про температуру - да, потому что основной задачей лыжи в модели принято плавление снега ))
Кстати, трение лыжи о снег без образования водяной пленки тоже не совсем классическое "сухое трение", ведь снег - субстанция сыпучая ) Поэтому сила трения будет, вообще говоря, зависеть от площади лыжи.
А вот совсем не в тему, но тоже о теории - почему лыжи не делятся на левую и правую? Мне кажется, какие-нибудь полпроцента эффективности можно было бы получить. А это очень много. )
Зайдите на мой сайт www.vector-ski.com Там практически все конструкции лыж делятся на левые и правые. И в этом их преимущество. Кстати, в 89 и 90 году наш (СССР)представитель Акентьев на заседаниях технического совета ФИС пытался снять ограничения в требованиях ФИС о взаимозаменяемости (левой и правой) лыж. Это было сделано с моей подачи при поддержке Аникина Н.П. Ограничение в требованиях ФИС по взаимозаменяемости лыж сняли только в 92 году.
/...На хорошей трассе сила трения лыжи о снег не зависит от скорости !! На идеальной трассе тормозим за счёт сопротивления воздуха.../
Если предположить, что сила трения не зависит от скорости, то может лучше написать, что при РАЗГОНЕ тормозим за счет воздуха, ведь Fтр никуда не девалась, она действует всегда?
/... А где же тут лыжные мази и парафины? Видимо модель слишком грубая? А может и не нужны они совсем? .../
Парафины влияют на коэффициент трения, следовательно ужЕ автоматически учтены в величине Fтр. Вырази в формуле Fтр через коэффициент трения - вот и более продвинутая формула получилась Далее. Чем ниже температура воздуха, тем в единицу времени больше тепла рассеивается и меньше идет на образование водяной пленки - доля сухого трения выше, чем в теплую погоду и наоборот. Следовательно в (3) перед Q должен стоять температурозависимый коэффициент, не превышающий единицы. Далее.Не следует забывать, что излишняя толщина водяной пленки вредна - будет подсос, и тогда Fтр начинает зависеть от скорости. Реально при движении лыжи по снегу существует компромисс между сухим и смоченным трением - самосогласованный процесс, в котором сухое трение создает воду, структура лыжи рвет водяную пленку, вновь возникающее сухое трение опять создает воду и т.д для всех микроучастков скользящей поверхности. Поэтому должна быть система уравнений - для сухого и смоченного трения и для них должны быть определены граничные условия. Еще важно понимать, что все вышесказанное относится к условиям детерминированного коэффициента трения, однако реальный сухой Ктр зависит от температуры и влажности воздуха (форма снежинок), учет чего мы пока не рассматривали. Таким образом все очень, очень не просто...
То, что Вы назвали мудреным термином работа силы трения в единицу времени, имеет в физике название - мощность, расходуемая на покрытие трения. Ваши славные формулы верны для случая равномерного прямолинейного движения, которое имеет место в бесшажном ходе - поддерживаем скорость за счет толчка руками.Парафины, по-видимому, позволяют обеспечивать определенное соотношение коэффициента трения и угла смачивания. Вся беда теории циклеванных лыж - универсальность покрытия, которое годится для всех без исключения условий. Реально же работа инженеров заключается в нахождении компромиссов, обеспечивающих функционирование конструкции.
Что-то типа обогрева скользящей поверхности по аналогии с обогревателем заднего стекла в авто и конструкции теплых полов. ( Естественно, батарейки – аккумуляторы должны помещаться в тело лыжи, а ) Вот вам и путь конструктивного совершенствования лыж!
Для справки: квалифицированный лыжник совершает работу против силы трения и аэродинамического сопротивления во время движения мощностью порядка 300-400 Вт. Большая часть этой мощности тратится на генерацию тепла под лыжей. Как говаривал Ухудшанский, - Хотите вставить батарейку - Ну - Ну ...
Черная верхняя поверхность лыж, металлизированые соты передают тепловую энергию на скользячку... или солнечные батареи по всей лыже, электрические нагревательные элементы в скользячке. Жаль не владею цифрами, какие там токи пально получить
Длинные или короткие? Какие лыжи едут быстрее? Всё зависит от условий на трассе и распределения давления по поверхности лыж. Однозначного ответа нет. Не во всех условиях будут длинные лыжи побеждать, даже просто при скатывании в лыжне. Если бы всегда длинные побеждали с большим преимуществом, то все на самых длинных ездили бы. И это мы не рассматриваем классическое и коньковое отталкивание, что тоже влияет на конструкцию лыж для увеличения средней скорости на дистанции.
Можно ли предположить что с короткими горбами давления лыжи будет большее удельное давление в результате и сильнее плавиться снег? В одной западной работе по скольжению лыж был вывод о том что более тяжелые лыжники имеют преимущество на морозе.
Рассмотрим простую и достаточно грубую модель скольжения лыжи по снегу. При скольжении в зоне носка лыжи образуется (за счёт тепла от работы силы трения) водяная плёнка. Далее лыжа скользит по плёнке над поверхностью снега. При этом сила трения от скольжения по плёнке мала по сравнению с трением лыжи о сухой снег.
Масса воды в водяной плёнке, образующаяся в единицу времени:
m= V*h*d*p (1)
V-скорость движения
h-толщина плёнки
d-ширина лыжи
p-плотность воды
Количество тепла (энергия), затрачиваемая в единицу времени на образование плёнки:
Q=m*(C+q*T) (2)
m-масса
С- удельная теплота плавления снега
q- удельная теплоёмкость снега
T- температура ниже нуля в градусах Цельсия
Снег надо нагреть до 0 град. Цельсия и растопить
Работа силы трения в единцу времени:
A=F*V
F-сила трения
v-скорость
Предположим, что вся работа силы трения уходит на образование водяной плёнки
(Очень хорошо подготовленная трасса):
Q=A (3)
V*h*d*p*(C+q*T) = F*V
откуда
F=h*d*p*(C+q*T) (4)
Из (4) можно сделать ряд интересных выводов и задать несколько вопросов.
1. На хорошей трассе сила трения лыжи о снег не зависит от скорости !! На идеальной трассе тормозим за счёт сопротивления воздуха.
2. Быстрее едет узкая и длинная лыжа, чем широкая и короткая. Предельный случай - коньки на катке (Самая узкая лыжа и идеальная трасса). Замечательный вывод - стоило ради этого написать пару формул.
3. При некоторой отрицательной температуре энергии трения не хватит для прогревания снега и образования плёнки - лыжи 'встанут'. При сильных морозах лыжи не едут - известно всем лыжникам. Более того в морозную погоду лучше едут деревянные лыжи - дерево хуже отводит тепло, чем пластик и имеет больший коэффициент трения.
4. Если трасса плохо подготовлена (для данной лыжи !), большая часть энергии уходит на разгребание и уплотнение снега. Снег хрустит - лыжи не едут. Наша модель не работает .
5. А где же тут лыжные мази и парафины? Видимо модель слишком грубая? А может и не нужны они совсем?
6. Скользящая поверхность на носке у лыж Ф и А другого цвета - не только декоративный элемент?
7. На самом деле всё выглядит видимо несколько сложней. На неровной трассе (а она всегда неровная) поверхность лыжи трётся о снег не только носком, но многими элементами скользящей поверхности. Маленький элемент уже растопивший снег в водяную плёнку 'передаёт' её следующим за ним участкам скользящей поверхности. Но этот эффект распределён по всей скользящей поверхности. Поэтому все рассуждения применимы к микроучасткам, а полную картину даст интеграл по всей скользящей поверхности лыжи.
Здесь же дана только качественная картина скольжения лыжи по снегу.