Об одном недостатке рюкзаков 22.07.2019 • НИКОЛАЙ ЗИНОВ • ФИЗИКА • 4 КОММЕНТАРИЯ Задача
Петя не любит носить рюкзак. Все дело в том, что под рюкзаком у него все время некрасиво задирается любимая футболка. Рюкзак трясется вверх-вниз, а футболка лезет только вверх — все выше и выше. Просто чудеса. Раньше Петя думал, что дело в том, что он просто не создан для ношения рюкзаков, но, когда он спросил своих друзей, оказалось, что у всех была та же проблема с футболками, платьями и даже куртками, однако выяснилось, что некоторая одежда больше склонна к задиранию, а некоторая — меньше. Почему одежда задирается при ношении рюкзака? Какая одежда меньше задирается?
Решениe РешениеПосмотрим, что происходит с рюкзаком, когда Петя идет. Вот он делает шаг, отталкиваясь от земли вперед и вверх. В этот момент плечи давят на лямки рюкзака и тянут его тоже вперед и вверх (рис. 1). Из-за этого рюкзак прижимается к футболке, так что сила трения, которая, как известно, пропорциональна силе давления, велика.
Рис. 1. Силы, действующие на тело и на рюкзак, в первую фазу шага — при отталкивании от земли. Рисунок Ксении Воденковой
Во второй фазе шага Петя уже не отталкивается от земли, а опускается: его тело и рюкзак движутся только под действием силы тяжести, так что взаимодействие между ними минимально (рис. 2). Рюкзак не давит на спину и поэтому сила трения, тянущая футболку вниз, мала, а футболка достаточно легкая, чтобы трение о спину не давало ей развернуться самой.
Рис. 2. Силы, действующие на тело и на рюкзак, во вторую фазу шага — при опускании на землю. Рисунок Ксении Воденковой
Теперь перейдем к ответу на второй вопрос: какими свойствами должна обладать одежда, чтобы не задираться? Во-первых, если одежда достаточно тяжелая или изготовлена из упругой ткани, то она будет сама разворачиваться во вторую фазу шага (если не учитывать, что футболка может прилипнуть к телу), и эффект задирания не будет заметен. Во-вторых, важны коэффициенты трения одежды о тело и одежды о рюкзак. Чем меньше первый, тем слабее трение о тело останавливает задирание. Чем больше второй, тем сильнее задирание. Можно сказать, что сильнее всего будет задираться легкая футболка, гладкая изнутри и рельефная снаружи, а наиболее устойчивой к задиранию будет пуховая куртка с шершавой подкладкой и гладким верхом.
Послесловие
Неприятный эффект задирания всевозможной одежды при встрече с рюкзаком, оказывается, находит параллель в технике. Особенность этого процесса в том, что в нем циклическое, колебательное движение рюкзака влечет за собой направленное в одну сторону движение футболки. Почти то же самое происходит в лентопротяжном механизме кинокамеры.
Еще лет 30 назад этот пример был очень наглядным, но сейчас даже в кинотеатрах пленочные проекторы встречаются все реже и реже. Для современного читателя лентопротяжный механизм — это, скорее всего, лишь стрекочущий звук, ассоциирующийся со старым кино. Принцип работы этого механизма следующий.
Рис. 3. Грейферный механизм киносъемочного аппарата «Конвас-автомат». Анимация с сайта ru.wikipedia.org
В кинопроекторе пленка должна двигаться рывками — чтобы перед лампой проектора по очереди появлялись и задерживались на небольшое время кадры, а переходы между кадрами происходили почти мгновенно. Возможно, если бы лентопротяжный механизм изобретали в наши дни, то решением был бы сервомотор с управляющей им программой на микроконтроллере, включающей его в нужные моменты времени. Инженеры прошлого не были настолько избалованы прогрессом, так что придумывали более элегантные решения.
Грейферный лентопротяжный механизмработает почти так же, как качающийся рюкзак (рис. 3). Приводимый в движение крутящимся шкивом крючок движется туда-сюда вдоль ленты. В то время, когда крючок движется по ходу ленты, механизм прижимает его к ленте, так что крючок цепляет перфорацию и сдвигает ленту, показывая следующий кадр. Когда же крючок (который выступает в роли рюкзака) возвращается назад, он отодвигается от ленты (выступающей в роли футболки) и кадр остается неподвижным в течение нужного времени.
На то, как именно работает грейферный механизм, можно посмотреть в замечательном математическом этюде, посвященном треугольнику Рело(о котором также можно почитать в задаче Кривые постоянной ширины).
Еще одна известная конструкция лентопротяжного механизма — мальтийский механизм (рис. 4). Он имеет свои достоинства и недостатки, но уж точно выглядит захватывающе.
Рис. 4. Пример мальтийского механизма с внешним зацеплением. Анимация с сайта en.wikipedia.org
Другая важная инженерная задача — преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное прямолинейное. Читатель наверняка знаком с устройством шатуна поршня — простого устройства, решающего эту задачу. Однако здесь прямолинейность достигается только за счет того, что поршень находится в прямолинейном цилиндре. Силы, действующие на поршень со стороны шатуна, отнюдь не направлены исключительно вдоль цилиндра, а создают ненужное давление на стенки, что приводит к увеличенному износу. Оказывается, существует целое семейство механизмов, создающих геометрически правильное прямолинейное движение, про которые можно узнать из задачи Прямолинейный механизм, а также из математического этюда Прямило Липкина. Стоит отметить, однако, что хотя теоретически такие механизмы и являются оптимальными, на практике они редко используются в силу своей сложности.
Это интересно
+1
|
|||
Последние откомментированные темы:
-
Продукты из СССР, которые в наши дни не производят
(2)
Волшебник НЮ
,
27.02.2022
-
Элеонора Григорьева и её НатюрКотики
(2)
Волшебник НЮ
,
27.02.2022
-
112 иллюстраций самых разных художников к роману «20000 лье под водой» Жюля Верна
(2)
Волшебник НЮ
,
27.02.2022
-
Что произойдет с человечеством после пришествия инопланетян
(1)
1Viking
,
27.02.2022
-
Неразгаданные тайны пустынь, которые предстоит разгадать человечеству
(8)
Волшебник НЮ
,
25.02.2022
20240425065604