Тема лекции - твоя машина

Лектор инженер В. Ванков.

«Чудесная машина», «жемчужина конструкторского искусства»,— так говорят о ней инженеры. Вот она стоит, поблескивая частями... у вас в прихожей. Эта машина — велосипед.

Многие совершали прогулки на велосипеде, а сегодня мы совершим прогулку по велосипеду с точки зрения физики. Начнем хотя бы с колеса (см. цветную вкладку).

1. Почему обод колеса делается в виде желоба? Только ли для того чтобы на нем держались камера и покрышка? Нет. Желобчатая форма придает ободу жесткость. Груз весом 50 кг деформирует обод велосипедного колеса без спиц всего на 10—16 мм. А попробуйте положить пятидесятикилограммовую гирю на обруч такой же толщины, сделанный из стальной полосы, — он немедленно будет сплющен.

2. Обод соединяется со втулкой колеса тонкими спицами. Почему же они не гнутся? Дело в том, что все спицы колеса, и верхние и нижние, работают «на растяжение».

Нагрузка на колесо передается через втулку, и, само собой разумеется, нижние спицы должны сжиматься. Но ведь все спицы предварительно натягиваются с помощью ниппелей и притом настолько сильно, что при нагрузке даже в 250 кг они все еще остаются растянутыми. Этому способствует также наклонное расположение спиц в колесе: не прямо по радиусу, а по касательной к фланцу втулки. Каждая спица способна выдержать растягивающую нагрузку до 270 кг.

3. Велосипедное колесо теперь не мыслится без резиновой «обуви» —камеры с покрышкой. Изобретение ветеринарного врача Денлопа — пневматическая шина — обеспечивает плавность хода велосипеда, оберегает его от ударов и толчков. Велосипед, вместо того чтобы подпрыгивать на буграх, плавно проходит над ними, если, конечно, шина накачана не слишком сильно. Воздух в камере подчиняется известному уравнению состояния газов PV—RT, которое устанавливает' зависимость между давлением, объемом и температурой.

Из этого уравнения видно, что чем больше температура при данном объеме, тем большее давление будет в камере. Поэтому в жаркий летний день чрезмерно накачанная шина может лопнуть: воздух расширяется, и камера не выдерживает. Зимой наоборот. Если накачать шины в комнате, то на морозе воздух в* камере сожмется, давление упадет, и шины ослабнут.

4. Среднее давление воздуха в нормально накачанных шинах равно примерно 1,5 атмосферы.

Почему же воздух не выходит наружу? Его удерживает в камере обратный клапан — вентиль.

В камеру воздух поступает через небольшое боковое отверстие в клапане, легко приподнимая вентильную резинку, а обратно путь воздуху закрыт, до отверстия он не может добраться: резинка плотно прижата к клапану.

5. Современный велосипед снабжен цепной передачей. Отношение числа зубцов ведущей звездочки (звездочки, соединенной с педалями) к числу зубцов ведомой звездочки (на втулке заднего колеса) называется передаточным числом

Если передаточное число умножить на диаметр ведущего (заднего) колеса, то получим так называемую ПЕРЕДАЧУ велосипеда.

Диаметр велосипедного колеса, а значит и его передачу, с давних пор выражают не в сантиметрах, а в дюймах.

Велосипеды бывают гоночные и дорожные, для езды в городе и деревне, по ровной и гористой местности. И для каждого типа применяется своя, наиболее подходящая передача.

Наиболее распространены велосипеды с диаметром колес 28 дм и числом зубцов ведущей звездочки 48. Предположим,

что число зубцов ведомой звездочки равно 16, тогда передача

Чем больше передача, тем большую скорость может развить велосипедист. У гоночных велосипедов величина передачи достигает 140 дм. На таком велосипеде хорошо ехать по ровному асфальту и по треку, а вот по гористой или песчаной дороге поехать не захочешь: трудно. Здесь нужна другая передача, гораздо меньшая. Попробуйте подсчитать передачу своего велосипеда— она окажется равной 68—78 дм. Именно такая передача и нужна для повседневной езды. Гонщика на шоссе вы не обгоните, а вот на горку вы без труда сможете въехать, гонщику же придется пройтись пешком. У велосипедов для горных дорог передача еще меньше: 48—60 дм.

Теперь стали выпускать велосипеды с переключением передач на ходу. Хорошая дорога — большая передача в работе, подъехал к горе — переключай на малую.

6. Вы нажимаете на педали. Каково при этом усилие, растягивающее цепь? Это легко можно подсчитать. Допустим, что ваш вес равен 60 кг. Допустим также, что вы въезжаете на гору и давите всей своей тяжестью на одну педаль. Тогда крутящий момент (произведение силы на плечо) будет равен:

Силу сопротивления Р2 на ведущей звездочке, исходя из того, что крутящие моменты должны быть равны, определим по формуле ворота:

то есть более чем в 2 раза превышает усилие на педали. С такой же силой растягивается и цепь. Цепь, правда, делается с большим запасом прочности. Поэтому ей не страшны никакие случайности. Она способна выдержать натяжение до 900 кг.

7. Всем известно, что при накачивании камеры насос греется: сжатие воздуха сопровождается выделением тепла. Этот принцип положен в основу работы дизеля. Температура воздуха, сжатого поршнем в цилиндре, достигает такой величины, что впрыскиваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется.

8. От термодинамики перейдем снова к механике. Задумывались ли вы над тем, почему рама велосипеда сделана из труб? И легко и прочно — вот ответ. Почему легко — понятно, а вот почему все-таки прочно? В технических вузах на младших курсах изучают основу основ техчики — науку о сопротивлении материалов. В ней, в частности, говорится о том, что происходит со стержнем, лежащим на двух опорах, если его нагрузить где-то посередине каким-либо грузом. Стержень прогнется. Верхние слои металла будут сжаты, а нижние растянуты. Но стержень целый. Значит, где-то в середине его тела должен быть нейтральный «неработающий» слой, который не сжимается и не растягивается.

Самые нагруженные слои металла — на поверхности стержня. Чем ближе к нейтральному слою, тем меньше напряжение в металле. А что, если эти «слабо работающие» слои вырезать? Получится труба. Прочность ее будет, конечно, меньше прочности стержня, но совсем ненамного.

Можно положить на подседельный узел груз весом в 1 т и рама выдержит.

9. Клин. Не раз его приходилось, наверно, использовать вам при работе дома. Если молоток начинает слетать с ручки, вы забиваете клин; если полено никак не раскалывается, вы вгоняете в него клин, и полено «само» разлетается.

Клин можно найти и в велосипеде. С помощью клина — распорного конуса — крепится руль в стержне вилки.

Вы знаете, как трудно провернуть затянутый руль. Отчего так получается? Попробуем проследить, что происходит при завертывании головки затяжного болта. Вы берете гаечный ключ длиной, скажем, 10 см и давите на его конец силой в 5 кг. Винт начинает вращаться и подтягивает распорный конус. Если подсчитать осевое усилие, то оно получается при этом равным 78 кг, а усилие, прижимающее конус к рулевой трубе, будет равно 236 кг, то есть почти в 50 раз больше усилия на гаечном ключе! Вот почему руль так крепко держится в вилке.

10. С большой скоростью по заснеженному асфальту мчится автомобиль. Но вот он резко затормозил. Задние колеса перестали вращаться, и за автомобилем протянулись две обледенелые полосы: снег под колесами подтаял. Механическая энергия превратилась в тепловую.

При торможении ручным тормозом велосипеда происходит то же самое: греются и колодка и резиновая шина.

11. Для увеличения сцепления колеса с полотном дороги на покрышке делают замысловатый рисунок. Здесь можно увидеть и кружочки между тремя продольными линиями и зигзаги различной формы. Какую покрышку надеть на велосипед?

Оказывается, для езды в городе лучше всего подходит рисунок с кружочками, а для проселочных дорог— «зигзаг».

12. В велосипеде может быть установлена своя собственная «электростанция». Ее мощность всего 0,002 квт. 2,5 миллиона велосипедистов должны были бы вращать педали, чтобы дать столько энергии, сколько дает наша первая атомная электростанция.

13. Коэффициент трения качения значительно меньше коэффициента трения скольжения — вот что означает неравенство, приведенное на рисунке, вот почему в велосипеде применяются шарикоподшипники. Что же происходит при качении шарика по кольцу подшипника? Откуда получается сила трения качения? Когда шарик катится, он вдавливается в кольцо, выжимая из-под себя металл. Перед шариком все время бежит микроскопическая волна металла, так что при своем движении шарик все время как бы вкатывается на горку. Не под горку, не по гладкой дорожке, а все время в горку! Вот откуда берутся силы трения качения.

14. Почему велосипед не падает при езде? Обратите внимание на следы шин за велосипедом. След переднего колеса все время пересекает след заднего. При наклоне велосипеда в какую-либо сторону, вы поворачиваете руль в сторону наклона. Возникает центробежная сила, которая стремится восстановить равновесие. Чем больше скорость велосипедиста, тем меньшая сила требуется для восстановления равновесия. На велосипеде можно ездить даже «без рук». Из-за того, что передняя вилка изогнута, рама при отклонениях руля приподнимается, возникающие при этом усилия стремятся вернуть руль в прежнее положение.

15. Попробуйте стянуть резиновую ручку с руля. Не получается? А ведь она не приклеена. Ее удерживают силы трения.

Если вы между ручкой и трубой руля просунете вязальную спицу и вольете несколько капель воды в образовавшийся зазор, коэффициент трения сразу уменьшится. Вода сыграет роль смазки, и ручка может быть легко снята с руля.

«Можно ли кататься зимой на велосипеде?»— спрашивают Игорь Николаев и Толя Преображенский из города Магнитогорска.

Для езды по снегу надо обмотать оба колеса веревкой диаметром 2—3 мм, как показано на рисунке. Это значительно уменьшит скольжение колес, однако на поворотах все-таки избегайте слишком сильно наклонять велосипед. Одеваться надо тепло, но так, чтобы одежда не стесняла движений.

После поездки велосипед немедленно очистите от приставшего снега, а через несколько минут, когда машина согреется, вытрите ее сначала сухой, а затем слегка промасленной тряпкой.

Советы

1. Не ездите на велосипеде вдвоем.

2. Высокая температура-— враг резины и краски. Не оставляйте велосипед на солнце или около горячей печки.

3. Вовремя смазывайте велосипед машинным маслом марки «Л»: каждые два месяца переднюю и заднюю втулки, цепь, вал каретки и раз в полгода педали, седло, головной узел (под рулем). Излишняя смазка вредна.

4. Содержите велосипед в чистоте. После поездки в сухую погоду протрите велосипед сначала слегка влажной тряпкой, а затем сухой. Хромированные поверхности протрите байкой. После поездки в сырую погоду очистите велосипед щеточкой от налипшей грязи, протрите влажной тряпкой и вытрите насухо. Хромированные места протрите промасленной тряпкой.