Понятно, что спортсмена мало интересует абсолютное значения коэффициента трения, поскольку для него гораздо важнее знать величину относительной эффективность смазки лыж.
Как видно из формулы (4.26) для экспериментального определения d не нужно знать высоту тестовой горки Н и, следовательно, нет необходимости измерять время t.
Поэтому при проведении опытов для определения относительной эффективность смазки лыж на втором и третьем этапах нашей методики не требуется использовать секундомер и записывать время.
Однако этапы с первого по четвертый повторяются несколько раз для различных лыж и различных смазок.
Затем на пятом этапе кроме определения длины общего пути L до самого худшего результата (наименьшая длина выката), лыжник ступнями измеряет расстояния от отметки худшего результата до отметок всех остальных тестов DLi и по формуле (4.26) находит di.
Как было отмечено во введении к данной исследовательской работе, задача эксперимента заключалась в определении как абсолютное значение коэффициента трения лыж о снег, так и относительную эффективность различных смазок скольжения в условиях сурового уральского климата:
· при низких температурах - от минус 15°С и ниже
· и высокой влажности воздуха – от 70% до 100%.
Для тестирования были выбраны две следующие смазки скольжения:
· импортный парафин SWIX HF4, для температур от -10°С до -32°С и высокой влажности воздуха, по цене порядка 1200 руб. за 40 г. (см. Рис. 4.2);
· и отечественный парафин Луч HF5, для температур от -5°С до -25°С и влажности воздуха от 85-98%, по цене 250 руб. за 50 г. (в пять раз меньшей).
Рис. 4.2
HF означает «High fluorocarbon» – мази с высоким содержанием фторорганики.
В эксперименте использовались две пары лыж FISCHER RCS (топ модель) SkateCut (для конькового хода) Cold (для низких, менее -2°С температур):
первая пара – модель сезона 2003/04, длина 187, stiff (высокой жесткости);
вторая пара - модель сезона 2004/05, длина 192, medium (средней жесткости) (см. Рис. 4.3);
Рис. 4.3.
Первая серия опытов проводилась 30.01.06 с 19:00 до 21:00 на лыжной базе «СКА» (район Уктуса г. Екатеринбурга) при температуре воздуха -18°С и влажности 78%.
Импортный парафин SWIX HF4 был нанесен на первую пару лыж (модель 2003/04), а отечественная смазка скольжения Луч HF5 - на вторую пару (модель 2004/05).
Обе пары тестировал один лыжник. Опыты дублировались по три раза для каждой пары.
В ходе этой первой серии экспериментов использовался спортивный секундомер «CASIO» 311Q04 и фиксировалось время проведения теста t.
Расстояния L и LТ измерялись парами шагов, а разность в длине выката DL - размером ступни по лыжному ботинку. При этом пересчет на метры производился по следующим соотношениям:
· 1 ступня = 0,3 м;
· 1 пара шагов = 6 ступней = 6*0,3 = 1,8 м.
Результаты опытов и рассчитанные значения абсолютных значений коэффициентов трения лыж о снег и относительной эффективности парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5 приведены в Табл. 4.1.
Полученные в первой серии опытов абсолютные значений коэффициентов трения лыж о снег (0,04184 - для SWIX HF4 и 0,04218 – для Луч HF5) хорошо согласуются с приведенными на Рис. 2.1 известными значениями, такими как 0,035 для трибологической пары «дерево – лед». Это говорит о принципиальной работоспособности предложенной нами методики.
Однако погрешность в определении абсолютных значений коэффициента трения (3…4%) не приемлема для оценки относительной эффективности смазок, имеющих примерно одинаковые характеристики и отличающихся друг от друга менее чем 1…3%.
Таблица 4.1
Результаты первой серии опытов
Условия тестирования
Единица
измерения
1 пара лыж,
смазка - SWIX HF4
2 пара лыж,
смазка - Луч HF5
Номер опыта
i
1.1
1.2
1.3
2.1
2.2
2.3
Времени тестирования t
сек
31,11
31,77
31,72
31,66
31,19
31,33
Разность в длине выката DLij, от наихудшего результата для опыта 2.1, L2.1 = 62 пары шагов = 62*1,8 = 111,6 м
ступней
4,0
2,5
3,0
0,0
1,5
м
1,20
0,75
0,90
0,00
0,45
Общая длина участков разгона и выката
Lij= L2.1+DLij
112,80
112,35
112,50
111,60
112,05
Среднее значение общей длины участков разгона и выката
112,55
Относительная погрешность проведения опытов
0,40%
0,80%
Относительная эффективность d парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5 по формуле (4.26)
%
0,45%
Длина участка торможения (выката) LТij при одинаковой длине участка разгона
LР= 28 пар шагов = 50,4 м,
LТij= Lij - LР
62,40
61,95
62,10
61,20
61,65
Коэффициент трения по формуле (4.33)
0,0430
0,0412
0,0413
0,0414
0,0427
0,0424
Среднее значение коэффициента трения
0,04184
0,04218
3,96%
3,06%
Относительная эффективность парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5
Погрешность в определении эффективности смазки через разность в длине выката по формуле (4.26) существенно меньше (0,4…0,8%), чем через определение абсолютных значений коэффициента трения, однако и она достаточно высока для выявления отличий в работоспособности смазки не превышающих 1% .
Для того, что бы убедиться в значимом различии относительной эффективности парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5, нами была проведена вторая серия экспериментов, при планировании которой мы постарались максимально увеличить как количество параллельных опытов, так и условий их проведения.
Вторая серия опытов проводилась 01.02.06 с 19:00 до 20:00 так же на лыжной базе «СКА» при температуре воздуха -16°С и влажности 85%.
Импортный парафин SWIX HF4 так же был нанесен на первую пару лыж (модель 2003/04), а отечественная смазка Луч HF5 - на вторую пару (модель 2004/05).
Обе пары тестировали уже два лыжника (имеющих разную массу) при двух различных длинах участка разгона (с разной высоты тестовой горки). Опыты дублировались по пять раз для каждой пары, каждого лыжника и для каждой длины участка разгона.
В ходе второй серии экспериментов секундомер не использовался, и время проведения теста t не фиксировалось, поскольку задача определения абсолютного значения коэффициента трении уже была решена в первой серии.
Расстояние L измерялись, как и в первой серии, парами шагов, а разность в длине выката DL – размером ступни. Пересчет на метры производился по тем же соотношениям, что и в первой серии.
Результаты опытов и рассчитанные значения относительной эффективности парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5 приведены в Табл. 4.2. и Табл. 4.3
Таблица 4.2
Результаты второй серии опытов
при длине участка разгона LР = 50,4 м,
Лыжник
№
А
Б
SWIX HF4
Луч HF5
Разность в длине выката DL от наихудшего результата
LХ = 110 м
1
7,0
8,0
12,0
2
13,0
0,5
18,0
13,5
3
15,5
22,0
15,0
4
20,0
23,0
5
21,0
18,2
23,5
2,1
2,4
3,6
3,9
0,2
5,4
4,1
4,7
6,6
4,5
6,0
6,9
6,3
5,5
7,1
Общая длина участков разгона и выката L
112,1
110,0
112,4
113,6
113,9
110,2
115,4
114,1
114,7
116,6
114,5
116,0
116,9
116,3
115,5
117,1
113,1
115,7
114,6
3,66%
4,83%
4,02%
1,57%
1,42%
0,94%
при длине участка разгона LР = 86,4 м,
LХ = 161 м
10,5
0
19
6,5
18
8
6
15
9,5
17
12,5
14
30
25
3,2
5,7
2,0
0,9
1,8
2,9
5,1
3,8
4,2
9,0
7,5
164,2
161,0
166,7
163,0
161,9
166,4
163,4
162,8
165,5
163,9
166,1
164,8
165,2
170,0
168,5
164,3
167,3
165,3
0,37%
2,58%
1,97%
3,36%
0,81%
1,22%
Результаты второй серии опытов показывают, что погрешность в определении эффективности смазки через разность в длине выката по формуле (4.26), остается на уровне первой серии (0,37…4,83%), что не позволяет с полной уверенность говорить о большей эффективности парафина SWIX HF4 (0,81…1,42%).
Однако поскольку как в первой, так и во второй серии опытов SWIX HF4 в среднем вел себя несколько лучше, что, видимо, вполне можно говорить о его большей эффективности по сравнению с Луч HF5, но на величину не превышающую 0,5%.
Много это, или мало? Можно привести следующие рассуждения. Смазка с эффективностью в 0,5% на дистанции 5 км может условно позволить лыжнику «укатиться» на 5 000 * 0,005 = 25 м дальше. При соревновательной скорости порядка 15км/ч (около 4 м/с) даст выигрыш в 25/4 » 6 сек.
Для спортсменов мировой элиты лыжного спорта и биатлона это, по всей видимости, может и много. Однако для рядовых спортсменов и любителей лыжного спорта это отличие не значимо и поэтому вряд ли стоит тратить в 5 раз большие суммы на подготовку лыж с использованием таких дорогих парафинов, как SWIX HF4. Отечественные смазки типа Луч HF5 могут работать ни чуть не хуже.
Решая поставленные в данной работе задачи такие, как изучение основ трибологии, знакомство с видами трения, изучение взаимодействия лыж и снега, удалось разработать достаточно простую методику определения как абсолютного значение коэффициента трения лыж о снег, так и относительной эффективность различных смазок скольжения на основе наиболее распространенного способа тестирования лыж – по длине выката.
Работоспособность данной методики была экспериментально проверена, и показано, что получаемые с помощь ее результаты для абсолютных значений коэффициента трения хорошо согласуются с известными величинами для таких трибологических парах, как «дерево – лед».
Экспериментально найденные значения относительной эффективности парафина SWIX HF4 по сравнению с Луч HF5 в условиях сурового уральского климата при низких температурах и высокой влажности воздуха показывают что, вряд ли стоит тратить в 5 раз большие суммы на подготовку лыж с использованием дорогих импортных парафинов, таких как SWIX HF4.
Отечественные смазки типа Луч HF5 в суровых уральских условиях могут работать ни чуть не хуже.
Основные задачи, поставленные в рамках данной исследовательской работы, выполнены.
Дальнейшим развитием выбранного направления может стать более точное тестирование лыж и смазок с использованием, например, таких современных приборов, как радары скорости.
Перышкин А.В. Физика 7 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – 6-е изд., стериотип. – М.: Дрофа, 2002. – 192 с.: ил.
Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учеб. для 9 кл. сред. Шк. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 1994. – 192 с.: ил.
Перышкин А.В. Физика 9 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений/ А.В. Перышкин, Е.М. Гутник . – 5-е изд., стериотип. – М.: Дрофа, 2002. – 256 с.: ил.
Касьянов В.А. Физика 10 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – 5-е изд., дораб. – М.: Дрофа, 2003. – 416 с.: ил.
Крагельский И. В., Виноградова И. Э. Коэффициенты трения. Справочное пособие. – 2-е изд. – М.: МАШГИЗ, 1962. – 220 с.: ил.
Слободетский И.Ш. Сухое трение. Журнал «Квант», 1970, №1 с. 37-41.
Нет Браун. Подготовка лыж. Полное руководство. : Пер. с анг. – Немцов А. – Мурманск, 2004. – 168 с. : ил.
Ресурсы Интернет:
http://www.tribo.ru/new/about.html - Журнал "Трение Износ Смазка" основан в 1999 году. Учредитель НПК "ВМПАВТО". Выходит 4 раза в год.
http://www.abitura.com - Сайт для абитуриентов, для выпускников школы, для тех, кто собирается поступать в вузы, где требуется хорошее знание физики.
http://www.krugosvet.ru/about.htm - Энциклопедия «Кругосвет».
http://skisport.narod.ru/index.html - Беговые лыжи. Детский центр культуры и спорта «Южное Измайлово»
http://xcski.narod.ru/ - Лыжный клуб «Обнинск»
http://www.skisport.ru/ - Официальный сайт журнала «Лыжный спорт»
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
