Маленькие атланты |
Экспромт на тему телемарка с физическим уклоном. Осень 2007
Маленькие атланты
Мы их душили, душили…
Душили, душили…
М.Булгаков
«Собачье сердце»
Известно, что основное назначение креплений – точная передача воздействия с ботинка на лыжу. Также известно, что на телекрепеж при катании действуют «колоссальные силы», приводящие порой к разрушению девайса и порождению, таким образом, обиды на весь мир. Попробуем разобраться, так почему же возможны поломки, и, пожалуй, самое главное, в каких местах их следует поджидать.
]1. Даже когда мы валяемся где-нибудь на пляже под жарким южным солнцем, а лыжи с установленными креплениями якобы отдыхают в чулане, на шурупы действуют силы растяжения. Помните, с каким остервенением вы закручивали эти самые шурупы пару сезонов назад, когда эйфория от покупки телекомплекта еще не прошла. Так вот, согласно утверждениям старика Ньютона платформа крепежа, прижатая шурупами к лыже с определенной силой, будет с той самой силой давить на головки несчастных созданий в обратную сторону, а попросту будет стараться выворотить их. Есть примечательный момент; давным давно (подозреваю еще в эпоху постройки первых паровозов) теоретически и экспериментально было установлено, что нагрузка растяжения в резьбовом соединении по виткам резьбы распределяется неравномерно, и самое неприятное, около 30% этой нагрузки приходится на первый виток, ближайший к поверхности головки шурупа. (рисунок 1)
Так что, если при установке крепления вы использовали ручную дрель, взятую напрокат у соседа – алкоголика дяди Васи, имеющую радиальное биение патрона порядка миллиметров пяти, или сверло даже на несколько десятых долей миллиметра более рекомендованного диаметра, а в кистевом жиме на динамометре вы даете под сотню килограмм, то будьте готовы, в один непрекрасный момент вышагнуть вместе с крепежом из лыжи, а в лучшем случае, в начале сезона в том самом чулане обнаружить на лыжинах болтающиеся на паре полуживых шурупах крепления;
2. В одном пособии для юных неучей, пытающихся постичь школьный курс физике, мне попалась картинка, наглядно прорисовывающая вектора сил, действующих на лыжника, несущегося с горы. Развивая этот рисунок, можно прийти к тому, что результирующая сила, направленная в сторону движения параллельно склону каким – то образом должна передаваться на лыжу, ибо скольжение на ботинках уже из другой области, нежели телемарк. И все бы ничего, да только на том азбучном рисунке отсутствует еще одна сила – сила трения. О, да, алхимики, путем своего зловещего колдунства зашли так далеко в борьбе с этим монстром, что нам и не снилось, о чем, впрочем, кричат наперебой все лыжные каталоги. Но мы – то знаем, она существует, как сникерс с лесным орехом, причем по величине еще и напрямую связана с движущей силой, в смысле прямо пропорциональна. Так вот, трение действует на лыжу, а сила движения, позитивная, бесспорно, на крепеж. И действуют они в разных направлениях. (рисунок 2)
Опять наши маленькие атланты принимаются за свое нелегкое дело.В результате, получаем магическую фразу «шурупы работают на срез». Причем при смене ноги мы совершаем шаг, то есть вносим динамическую добавочку к движущей силе, а соответственно, повышается и трение. Стоит отметить, что эти силы далеко не равны (иначе не было бы и движения), и при определенных условиях этим нагружением можно принебречь;
3. А вот другой «срез» не учитывать никак нельзя. На мой субъективный взгляд прошли времена, когда телемарк считался «плоской техникой ведения лыж»; люди, неоднократно бывавшие в Европе рассказывали, что «они там такие дуги закладывают, что не любой горнолыжник повторит». Говорим дуга, подразумеваем закантовка, и наоборот, короче говоря как пропогандируют горнолыжники «вали лыжу на кант и сам вались внутрь поворота». Здесь кроется интересный момент. Дело в том, что давим на склон мы силой тяжести (в основном, если отстраниться от сил, воздействующих на лыжника при движении по дуге, которые, кстати говоря, создадут свою добавку к тем нагрузкам, о которых мы сейчас и поговорим), сила тяжести направлена перпендикулярно склону, ровно как и реакция матушки земли упирается в обратном направлении. Только реакция давит на лыжу, а мы – на крепеж. (рисунок 3)
Опять же срез получается, если приглядеться к проекциям этих сил на плоскость лыжы. При этом чем активнее мы кантуемся, то есть увеличиваем проекции, нагрузка на шурупы растет;
4. Телемаркеры – великие обманщики! «У нас свободная пятка, у нас свободная пятка!». А как же с той приблудой, что прицепилась к пятке вашего ботинка и не дает ему съехать в бок, и даже позволяет предсказуемо давить на лыжу в позиции «глубокого колена»? То то. Ну да не об этом разговор. Нам предстоит разобраться какие нагрузки возникают в многострадальных шурупах при подъеме пятки. Для начала обратимся к простейшему механическому устройству, называемому палиспаст. Суть проста; две веревки, одна закреплена к оси ролика, другая пропущена в его ручеек. Если, например, четыре мужика потянут за один конец веревки (прикрепленной к оси ролика), а еще четыре мужика потянут один из концов второй веревки в противоположную первой группе сторону, то на свободном конце той же второй веревки груз порядка 250 кг на тележке получит скорость порядка 70 км/час, это проверено практикой. Еще один эксперимент, ближе к теме, так сказать; возьмем крепления HammerHead, не закрепленные на лыжу, но с закрепленным ботинком в левую руку, а правой попробуем согнуть плюсну, то есть смоделировать подъем пятки, только без лыж. На левой руке будет ощущаться вполне определенная нагрузка. Это происходит от того, что при сгибе троса в месте установки фиксатора сила, стремящаяся распрямить пружину, меняет в указанной точке не только вектор, но и величину, то есть увеличивается сверх усилия затяжки ботинка. Кроме этого, из за наличия определенного расстояния между точкой вращения ботинка (ползущей вперед между гармошкой и линией 3pin) и точкой приложения силы упругости пружины, появляется момент сил, стремящийся оторвать платформу от лыжи. (рисунок 4)
Это и рождает нагрузки на шурупах, поразительным образом направленные в том же направлении, что и нагрузки, описанные в пунктах 1 и 2, причем при распределении по элементам крепления добавка будет расти в направлении от носка платформы к ее заднику. Думаю, что детальная прорисовка механизма возникновения таких нагрузок еще ждет своего часа (если она уже не существует);
Великая наука метрология описывает нам целый воз возможных погрешностей, появляющихся при измерении какой-либо физической величины, при этом все их условно можно разделить на поддающиеся учету и так называемую «неучтенку». По аналогии, приведенные 4 пункта довольно полно раскрывают случаи нагружения в системе «крепеж – лыжа». Но возможно проявления «еще чего – то там», причем не всегда действующего в том же направлении, что и описанные нагрузки. Кроме этого, необходимо учитывать и характер сопряжения деталей при сборке крепеже и установке его на лыжу. Да, теория допусков и посадок, камень преткновения не только для студентов, но и для людей, годами работающих в машиностроении, глаза и разум замыливается, знаете ли. Не будем вдаваться в подробности, но изготовители телекреплений дают довольно большую свободу для вашего кривого глазомера, который вы будете применять при разметке отверстий под шурупы (правда, существуют шаблоны) и все собираемые в единый пакет детали имеют довольно большие допуска по диаметрам отверстий, как правило в сторону увеличения оных. Наслоим сюда зависимый допуск расположения центров, например, 6 отверстий как в случае с HammerHead. В результате получим картину неравномерного контакта деталей в сборе и, как следствие, неравномерность распределения нагрузок по шурупам. Технарь бы сказал: «Посадка с зазором».
Перейдем к другим, не менее важным, деталям крепежа. Выделим из них те, которым по своему предназначению приходится справляться с большими нагрузками:
1. Носовой модуль. Сила, возникающая при подъеме пятки и через лягушку давящая на ботинок, на самом деле, не исчезает из этого мира, она вполне определенно передается через ботинок на носовой модуль и, как показано ранее, «уходит» в лыжу посредством крепежных элементов. Добавим нагрузки от крутящих моментов, возникающих при управлении лыжами вращением относительно вертикальной и продольной оси лыж при закантовке. В результате получим довольно сложную картину трехмерной нагрузки, приходящейся на носовой модуль;
2. Узел крепления телеграмм. Все мы видели красивые картинки разогнутых ваеров, впечатляет, правда? Тот болт (штифт, ось, как угодно), который крепит телеграмму к носовому модулю, испытывает нагрузку на, теперь уже знакомый, «срез», а закорючина на конце телеграммы напрягается, чтобы преодолеть усилие растяжения.
Торсионная жесткость. Эту характеристику необходимо рассматривать для всего крепежа в целом, ибо и концепция, и детали будут ее определять в одинаковой мере. Если заглянуть между ног, простите, между колес любого грузовика, то можно увидеть там здоровую круглую железяку, зачем – то соединяющую ось с кузовом. В ответ на вопрос «А что это за хреновина?» шоферюга с мужественной физиономией только ухмыльнется: «Торсион, балбес!» Все понятно? Лично мне – не очень. Технически, торсион — это силовой элемент, работающий на скручивание. Пример нулевой торсионной жесткости лыжного крепежа мы наблюдаем в своем безоблачном детстве, когда гоняли с друганами с горок на лыжах «Уктус» с четырехшпиньковым советским крепежом и советскими же низкими ботинками, через сезон очень напоминающими чешки. Ты его круть налево, а пятка соскочила с лыжи и скребет по снегу, финал – у ближайшей сосны. Теперь другие времена; наращивают «мясо» носового модуля, уходят от вертикального люфта в системе «носок ботинка – мост», прячут сходящиеся в пятку части троса в подобие половины бублика, а технически – тора (как в HammerHead – загнутая трубка), в ход идут все более жесткие ботинки, без которых требуемой торсионной жесткости не добиться, можно, наконец, изготовить пяточный модуль из пары швеллеров, как в Bomber и навсегда забыть про нехватку торсионной жесткости (шутка, конечно же). В конечном итоге нагрузки от скручивания ботинка будут передаваться на носовой модуль и на узел закрепления телеграмм.
У конструкторов есть замечательный прием шаманства, называемый принципом «сильных и слабых сечений». Если приглядеться к некоторым деталям, составляющим крепеж (например, штампованный носовой модуль у HammerHead, или металлическая платформа у Rotafella), то можно заметить проявление этого принципа в виде выборок основного материала не в ущерб прочности всей детали. Грамотный подход и знание распределения нагрузок по деталям позволит снизить суммарную массу крепежа.
Нельзя не отметить еще один интересный момент, связанный с нагружением крепежных элементов на срез. Дело в том, что понятие «срез» наиболее правомерно применять в том случае, когда диаметр крепежных элементов конструкции сопоставим с толщиной соединяемых деталей. А вот когда толщина деталей увеличивается (неизбежная пластиковая платформа), тогда любая пара сил, действующих в противоположных направлениях, создаст момент, приводящий уже к изгибу крепежных элементов. Чтобы уйти от разрушения «толстой» детали от прилагаемого момента, конструкторы применяют довольно интересные приемы. Вот некоторые из них: применение промежуточной металлической платформы как у Rotafella (условно можно назвать такую конструкцию «слоеным пирогом»), заглубление контактной поверхности «шуруп – платформа» вглубь платформы, как у HammerHead, вкупе со сложной геометрией носового модуля, передающего все усилия непосредственно к плоскости лыжи.
Учитывая все вышесказанное можно, так сказать, сверстать выводы:
1. Наиболее нагруженными в креплениях для телемарка можно назвать следующие детали: носовой модуль, узел крепления телеграмм, элементы крепления к лыже. Список может вырасти в зависимости от конкретного типа крепежа (фиксаторы, например, как в случае с HammerHead);
2. Показанные нагрузки лишний раз подтверждают тезис о том, что к установке крепежа на лыжу надо подходить ответственно и соблюдать все рекомендации изготовителя, ровно как и выбирать снаряжения с холодным рассудком, трезво оценивая баланс сил в связке «возможности телемаркера – возможности лыжи – возможности крепежа».
3. Без лишней скромности попробуем замахнуться на формулирование технического задания для изготовителей: «Правильное количество правильного материала в правильном месте». Впрочем, это уже другая история…">
Маленькие атланты
Мы их душили, душили…
Душили, душили…
М.Булгаков
«Собачье сердце»
Известно, что основное назначение креплений – точная передача воздействия с ботинка на лыжу. Также известно, что на телекрепеж при катании действуют «колоссальные силы», приводящие порой к разрушению девайса и порождению, таким образом, обиды на весь мир. Попробуем разобраться, так почему же возможны поломки, и, пожалуй, самое главное, в каких местах их следует поджидать.
]1. Даже когда мы валяемся где-нибудь на пляже под жарким южным солнцем, а лыжи с установленными креплениями якобы отдыхают в чулане, на шурупы действуют силы растяжения. Помните, с каким остервенением вы закручивали эти самые шурупы пару сезонов назад, когда эйфория от покупки телекомплекта еще не прошла. Так вот, согласно утверждениям старика Ньютона платформа крепежа, прижатая шурупами к лыже с определенной силой, будет с той самой силой давить на головки несчастных созданий в обратную сторону, а попросту будет стараться выворотить их. Есть примечательный момент; давным давно (подозреваю еще в эпоху постройки первых паровозов) теоретически и экспериментально было установлено, что нагрузка растяжения в резьбовом соединении по виткам резьбы распределяется неравномерно, и самое неприятное, около 30% этой нагрузки приходится на первый виток, ближайший к поверхности головки шурупа. (рисунок 1)
Так что, если при установке крепления вы использовали ручную дрель, взятую напрокат у соседа – алкоголика дяди Васи, имеющую радиальное биение патрона порядка миллиметров пяти, или сверло даже на несколько десятых долей миллиметра более рекомендованного диаметра, а в кистевом жиме на динамометре вы даете под сотню килограмм, то будьте готовы, в один непрекрасный момент вышагнуть вместе с крепежом из лыжи, а в лучшем случае, в начале сезона в том самом чулане обнаружить на лыжинах болтающиеся на паре полуживых шурупах крепления;
2. В одном пособии для юных неучей, пытающихся постичь школьный курс физике, мне попалась картинка, наглядно прорисовывающая вектора сил, действующих на лыжника, несущегося с горы. Развивая этот рисунок, можно прийти к тому, что результирующая сила, направленная в сторону движения параллельно склону каким – то образом должна передаваться на лыжу, ибо скольжение на ботинках уже из другой области, нежели телемарк. И все бы ничего, да только на том азбучном рисунке отсутствует еще одна сила – сила трения. О, да, алхимики, путем своего зловещего колдунства зашли так далеко в борьбе с этим монстром, что нам и не снилось, о чем, впрочем, кричат наперебой все лыжные каталоги. Но мы – то знаем, она существует, как сникерс с лесным орехом, причем по величине еще и напрямую связана с движущей силой, в смысле прямо пропорциональна. Так вот, трение действует на лыжу, а сила движения, позитивная, бесспорно, на крепеж. И действуют они в разных направлениях. (рисунок 2)
Опять наши маленькие атланты принимаются за свое нелегкое дело.В результате, получаем магическую фразу «шурупы работают на срез». Причем при смене ноги мы совершаем шаг, то есть вносим динамическую добавочку к движущей силе, а соответственно, повышается и трение. Стоит отметить, что эти силы далеко не равны (иначе не было бы и движения), и при определенных условиях этим нагружением можно принебречь;
3. А вот другой «срез» не учитывать никак нельзя. На мой субъективный взгляд прошли времена, когда телемарк считался «плоской техникой ведения лыж»; люди, неоднократно бывавшие в Европе рассказывали, что «они там такие дуги закладывают, что не любой горнолыжник повторит». Говорим дуга, подразумеваем закантовка, и наоборот, короче говоря как пропогандируют горнолыжники «вали лыжу на кант и сам вались внутрь поворота». Здесь кроется интересный момент. Дело в том, что давим на склон мы силой тяжести (в основном, если отстраниться от сил, воздействующих на лыжника при движении по дуге, которые, кстати говоря, создадут свою добавку к тем нагрузкам, о которых мы сейчас и поговорим), сила тяжести направлена перпендикулярно склону, ровно как и реакция матушки земли упирается в обратном направлении. Только реакция давит на лыжу, а мы – на крепеж. (рисунок 3)
Опять же срез получается, если приглядеться к проекциям этих сил на плоскость лыжы. При этом чем активнее мы кантуемся, то есть увеличиваем проекции, нагрузка на шурупы растет;
4. Телемаркеры – великие обманщики! «У нас свободная пятка, у нас свободная пятка!». А как же с той приблудой, что прицепилась к пятке вашего ботинка и не дает ему съехать в бок, и даже позволяет предсказуемо давить на лыжу в позиции «глубокого колена»? То то. Ну да не об этом разговор. Нам предстоит разобраться какие нагрузки возникают в многострадальных шурупах при подъеме пятки. Для начала обратимся к простейшему механическому устройству, называемому палиспаст. Суть проста; две веревки, одна закреплена к оси ролика, другая пропущена в его ручеек. Если, например, четыре мужика потянут за один конец веревки (прикрепленной к оси ролика), а еще четыре мужика потянут один из концов второй веревки в противоположную первой группе сторону, то на свободном конце той же второй веревки груз порядка 250 кг на тележке получит скорость порядка 70 км/час, это проверено практикой. Еще один эксперимент, ближе к теме, так сказать; возьмем крепления HammerHead, не закрепленные на лыжу, но с закрепленным ботинком в левую руку, а правой попробуем согнуть плюсну, то есть смоделировать подъем пятки, только без лыж. На левой руке будет ощущаться вполне определенная нагрузка. Это происходит от того, что при сгибе троса в месте установки фиксатора сила, стремящаяся распрямить пружину, меняет в указанной точке не только вектор, но и величину, то есть увеличивается сверх усилия затяжки ботинка. Кроме этого, из за наличия определенного расстояния между точкой вращения ботинка (ползущей вперед между гармошкой и линией 3pin) и точкой приложения силы упругости пружины, появляется момент сил, стремящийся оторвать платформу от лыжи. (рисунок 4)
Это и рождает нагрузки на шурупах, поразительным образом направленные в том же направлении, что и нагрузки, описанные в пунктах 1 и 2, причем при распределении по элементам крепления добавка будет расти в направлении от носка платформы к ее заднику. Думаю, что детальная прорисовка механизма возникновения таких нагрузок еще ждет своего часа (если она уже не существует);
Великая наука метрология описывает нам целый воз возможных погрешностей, появляющихся при измерении какой-либо физической величины, при этом все их условно можно разделить на поддающиеся учету и так называемую «неучтенку». По аналогии, приведенные 4 пункта довольно полно раскрывают случаи нагружения в системе «крепеж – лыжа». Но возможно проявления «еще чего – то там», причем не всегда действующего в том же направлении, что и описанные нагрузки. Кроме этого, необходимо учитывать и характер сопряжения деталей при сборке крепеже и установке его на лыжу. Да, теория допусков и посадок, камень преткновения не только для студентов, но и для людей, годами работающих в машиностроении, глаза и разум замыливается, знаете ли. Не будем вдаваться в подробности, но изготовители телекреплений дают довольно большую свободу для вашего кривого глазомера, который вы будете применять при разметке отверстий под шурупы (правда, существуют шаблоны) и все собираемые в единый пакет детали имеют довольно большие допуска по диаметрам отверстий, как правило в сторону увеличения оных. Наслоим сюда зависимый допуск расположения центров, например, 6 отверстий как в случае с HammerHead. В результате получим картину неравномерного контакта деталей в сборе и, как следствие, неравномерность распределения нагрузок по шурупам. Технарь бы сказал: «Посадка с зазором».
Перейдем к другим, не менее важным, деталям крепежа. Выделим из них те, которым по своему предназначению приходится справляться с большими нагрузками:
1. Носовой модуль. Сила, возникающая при подъеме пятки и через лягушку давящая на ботинок, на самом деле, не исчезает из этого мира, она вполне определенно передается через ботинок на носовой модуль и, как показано ранее, «уходит» в лыжу посредством крепежных элементов. Добавим нагрузки от крутящих моментов, возникающих при управлении лыжами вращением относительно вертикальной и продольной оси лыж при закантовке. В результате получим довольно сложную картину трехмерной нагрузки, приходящейся на носовой модуль;
2. Узел крепления телеграмм. Все мы видели красивые картинки разогнутых ваеров, впечатляет, правда? Тот болт (штифт, ось, как угодно), который крепит телеграмму к носовому модулю, испытывает нагрузку на, теперь уже знакомый, «срез», а закорючина на конце телеграммы напрягается, чтобы преодолеть усилие растяжения.
Торсионная жесткость. Эту характеристику необходимо рассматривать для всего крепежа в целом, ибо и концепция, и детали будут ее определять в одинаковой мере. Если заглянуть между ног, простите, между колес любого грузовика, то можно увидеть там здоровую круглую железяку, зачем – то соединяющую ось с кузовом. В ответ на вопрос «А что это за хреновина?» шоферюга с мужественной физиономией только ухмыльнется: «Торсион, балбес!» Все понятно? Лично мне – не очень. Технически, торсион — это силовой элемент, работающий на скручивание. Пример нулевой торсионной жесткости лыжного крепежа мы наблюдаем в своем безоблачном детстве, когда гоняли с друганами с горок на лыжах «Уктус» с четырехшпиньковым советским крепежом и советскими же низкими ботинками, через сезон очень напоминающими чешки. Ты его круть налево, а пятка соскочила с лыжи и скребет по снегу, финал – у ближайшей сосны. Теперь другие времена; наращивают «мясо» носового модуля, уходят от вертикального люфта в системе «носок ботинка – мост», прячут сходящиеся в пятку части троса в подобие половины бублика, а технически – тора (как в HammerHead – загнутая трубка), в ход идут все более жесткие ботинки, без которых требуемой торсионной жесткости не добиться, можно, наконец, изготовить пяточный модуль из пары швеллеров, как в Bomber и навсегда забыть про нехватку торсионной жесткости (шутка, конечно же). В конечном итоге нагрузки от скручивания ботинка будут передаваться на носовой модуль и на узел закрепления телеграмм.
У конструкторов есть замечательный прием шаманства, называемый принципом «сильных и слабых сечений». Если приглядеться к некоторым деталям, составляющим крепеж (например, штампованный носовой модуль у HammerHead, или металлическая платформа у Rotafella), то можно заметить проявление этого принципа в виде выборок основного материала не в ущерб прочности всей детали. Грамотный подход и знание распределения нагрузок по деталям позволит снизить суммарную массу крепежа.
Нельзя не отметить еще один интересный момент, связанный с нагружением крепежных элементов на срез. Дело в том, что понятие «срез» наиболее правомерно применять в том случае, когда диаметр крепежных элементов конструкции сопоставим с толщиной соединяемых деталей. А вот когда толщина деталей увеличивается (неизбежная пластиковая платформа), тогда любая пара сил, действующих в противоположных направлениях, создаст момент, приводящий уже к изгибу крепежных элементов. Чтобы уйти от разрушения «толстой» детали от прилагаемого момента, конструкторы применяют довольно интересные приемы. Вот некоторые из них: применение промежуточной металлической платформы как у Rotafella (условно можно назвать такую конструкцию «слоеным пирогом»), заглубление контактной поверхности «шуруп – платформа» вглубь платформы, как у HammerHead, вкупе со сложной геометрией носового модуля, передающего все усилия непосредственно к плоскости лыжи.
Учитывая все вышесказанное можно, так сказать, сверстать выводы:
1. Наиболее нагруженными в креплениях для телемарка можно назвать следующие детали: носовой модуль, узел крепления телеграмм, элементы крепления к лыже. Список может вырасти в зависимости от конкретного типа крепежа (фиксаторы, например, как в случае с HammerHead);
2. Показанные нагрузки лишний раз подтверждают тезис о том, что к установке крепежа на лыжу надо подходить ответственно и соблюдать все рекомендации изготовителя, ровно как и выбирать снаряжения с холодным рассудком, трезво оценивая баланс сил в связке «возможности телемаркера – возможности лыжи – возможности крепежа».
3. Без лишней скромности попробуем замахнуться на формулирование технического задания для изготовителей: «Правильное количество правильного материала в правильном месте». Впрочем, это уже другая история…">
1 комментарий