СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СКОЛЬЖЕНИЯ
METHOD OF IMPROVING QUALITY OF SLIDING

Изобретение относится к области спорта и может найти применение при подготовке к тренировкам и спортивным соревнованиям на установление рекордных показателей.
Известны способы повышения качества скольжения трущихся поверхностей лыжи по снегу на основе использования лыжных мазей различных модификаций, наносимых на скользящую поверхность лыжи (например, см. АС №171066, МКИ C09G 3/00).
Способы повышения качества скольжения лыжи по снегу за счет применения только разных модификаций мазей в известных аналогах относительно ограничен и не всегда дает желаемый положительный эффект в увеличении качества скольжения, потому что при использовании лыжных мазей учитывается только одночленный закон трения:
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>Т</mi></msub><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>F</mi><mi>Н</mi></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
T
Где F - сила трения, кг;
k - коэффициент трения скольжения, который изменяется в зависимости от разных модификаций наносимых мазей на поверхность лыжи и их эффект варьируется в пределах k≈0,02÷0,035 [1] см. в.42, табл.12;
H
F - вес лыжника (спортсмена), кг.
Однако в одночленном законе трения не учитываются поверхностная (внешняя) вязкость снежной среды в зависимости от плотности снега и сила дополнительного давления лыжи на поверхность снега за счет притяжения разноименных зарядов электростатического поля, возникающих на поверхности скользящей лыжи за счет трибоэлектризации, которая образуется от трения разнородных тел (деревянной лыжи по снегу), которая обладает значительной тормозящей силой движения, независимо от типа наносимых лыжных мазей.
H
Т
Ввиду зависимости сил трения скольжения от многих, порой очень трудно учитываемых факторов, согласно теории трения касания двух разнородных соприкасающихся тел имеет место лишь в отдельных соприкасающихся точках радиуса R соприкасающихся площадей, на которые действуют силы притяжения электростатического поля (возникающего за счет трибоэлектризации, т.е. трения разнородных тел), а также влияния температуры пограничного слоя трущихся поверхностей разнородных тел (а не температуры) окружающей среды, которая учитывается в аналогах); вязкости среды (зависит от плотности снега); химических связей и прочие. При скольжении каждое пятно касания радиуса R (так называемое фрикционная связь) существует ограниченное время. Поэтому при трении соприкасающихся поверхностей лыжи по снегу наблюдаются значительные деформации пограничного слоя (мазей) касания, сопровождающихся структурными превращениями, поэтому учет всех этих процессов затруднен из-за сильной зависимости от температуры трения разнородных тел на поверхности скользящей лыжи (а не температуры окружающей среды, на которые рассчитаны лыжные мази). Температура на точках касания радиуса R при перемещении двух соприкасающихся поверхностей разнородных тел (лыжи по снегу), возникает очень быстро и в зависимости от величины прижимающей силы F, температура на поверхности трущихся тел может достигать несколько сот градусов, что резко изменяет химические связи состава нанесенных лыжных мазей, состав которых рассчитан на окружающую температуру, поэтому предполагаемый их (лыжных мазей) эффект практически имеет место в очень короткий промежуток времени (ограничен во времени) и незначительно влияет на уменьшение силы трения F скольжения, в процессе движения лыжи по снегу.
В зависимости от температуры, возникающей при трении скольжения пограничного слоя касания лыжи по снегу и степени шероховатости их поверхностей, в теории трения скольжения различают несколько переходных случаев трения - сухое, полусухое, граничное, полужидкое [2], вследствие чего будет соответствовать и разная вязкость снега, при разной его плотности, вследствие этого и изменяется сила трения скольжения, препятствующая перемещению лыжи по снегу.
В соответствии с законом Стокса сила сопротивления трения скольжения соприкасающихся поверхностей лыж с поверхностью вязкой среды (внешнее трение) снега равна:
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mi>η</mi><mfrac><mi>V</mi><mi>d</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где V - скорость движения лыжи, м/сек;
2
S - общая площадь всех областей непосредственного контакта (фрикционная связь) между лыжей и снегом, м;
d - расстояние между поверхностями скольжения лыжи по снегу, м;
η - динамическая вязкость (внешнее поверхностное трение), которая определяется как:
<mrow><mi>η</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>P</mi><mo>⋅</mo><mi>S</mi></mrow><mi>V</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
3
где Р - плотность снега, кг/м;
2
S - площадь контакта лыжи со снегом, м;
V - скорость движения лыжи, м/сек.
Таким образом, на основании формулы (2) в зависимости от величины вязкости снежной среды будет соответствовать и разная плотность снега и соответственно и разный тип трения скольжения (сухое, полусухое, граничное, полужидкое). В результате разного типа трения, будет изменяться и сила притяжения (прилипания) поверхности лыжи к снегу (дополнительные силы давления на лыжи), обусловленная силой притяжения поверхности лыжи к снегу за счет сил электростатического поля разноименных зарядов, образуемых (индуцируемых) за счет трибоэлектризации, т.е. за счет трения поверхностей разнородных тел - лыжи по снегу.
Возникновение трибоэлектризации за счет трения разнородных тел на поверхности лыжи индуцируется противоположный электростатический заряд по отношению к снегу, что обуславливает добавочное давление на лыжу, вызванные силами электростатического притяжения разнополярных зарядов между лыжей и снегом, которые в известных аналогах не учитываются. Сила притяжения (разноименные заряды) или сила отталкивания (одноименные заряды), индуцируемые на плоскости лыжи по отношению к снегу будет определяться величиной наведенного электростатического заряда Q за счет трения лыжи по снегу и напряженностью Е электростатического поля, образуемого между поверхностью лыжи и снега, которая равна:
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mo>±</mo><mi>Q</mi><mo>⋅</mo><mi>E</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где F - сила притяжения,
Q - электростатический заряд,
Е - напряженность электростатического поля.
Учитывая то, что в нашем случае движение осуществляется площадью S по поверхности вязкой среды снега и с учетом формул (2) и (4), получим:
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mo>±</mo><mi>Q</mi><mo>⋅</mo><mi>E</mi><mo>=</mo><mi>η</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mi>V</mi><mi>l</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Напряженность электростатического поля равна:
<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>σ</mi><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>ε</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где σ - средняя поверхностная плотность заряда Земли, [1] с. 122, табл.72;
0
-12
ε - диэлектрическая проницаемость, равная 8,85·10 ф/м;
ε - диэлектрическая проницаемость снега.
Из формулы (5) можно определить величину электростатического заряда, возникающего на скользящей поверхности за счет трибоэлектризации, который будет равен:
<mrow><mo>±</mo><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>η</mi><mi>V</mi><mi>S</mi></mrow><mrow><mi>E</mi><mi>l</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Таким образом, наведенный заряд на поверхности лыжи со знаком (+) или (-) должен быть выбран в зависимости от того, совпадает ли направление поля Е с направлением силы тяжести или противоположно ему.
Согласно вышеизложенному видно, что лыжнику приходится преодолевать не только силу трения скольжения, но и силу добавочного давления (прилипания) электростатического притяжения разнополярных зарядов, возникающих на поверхностях разнородных трущихся тел (поверхности лыжи и поверхности снега), величина которых изменяется в зависимости от типа вязкости снежной среды.
Поэтому для определения силы трения скольжения лыжи по снегу более точным является двухчленный закон трения скольжения, установленный на основе учета влияния сил притяжения разнополярных зарядов трущихся тел (лыжи по поверхности снега), величина которых зависит от вязкости снега, т.е.:
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mi>к</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>F</mi><mi>Н</mi></msub><mo>±</mo><mi>Q</mi><mi>E</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где к - коэффициент трения скольжения;
H
F - вес лыжника (человека);
S - общая площадь всех областей непосредственного контакта радиуса R между телами (фрикционная связь);
Q - электростатический заряд, наведенный (индуцируемый) на скользящей поверхности лыжи;
Е - электростатическое поле, образуемое между скользящей поверхностью лыжи и поверхностью снега.
На основании формулы (7) лыжнику практически приходится преодолевать не только силу трения скольжения, но и силу электростатического притяжения, образованного разнополярными зарядами (добавочное давление на лыжу), препятствующие относительному перемещению лыжи по снегу (спортсмену, человеку).
Задача предлагаемого изобретения заключается в снижении коэффициента трения скольжения рабочей поверхности лыжи по снегу независимо от применения разных модификаций мазей при разных типах трения скольжения (сухое, полусухое граничное, полужидкое).
Эта задача решается на основе двухчленного закона трения путем исключения влияния сил притяжения образуемых разнополярных зарядов трущихся разнородных тел (лыжи по снегу) путем индуцирования (наведения) от отдельного источника питания на скользящую поверхность лыжи однополярного электростатического заряда со снегом.
В результате создается противоположное направление электростатического поля Е силе тяжести за счет одноименных зарядов, образуемых на поверхности лыжи и снега. В результате однополярных зарядов поверхность лыжи будет отталкиваться (а не притягиваться), причем независимо не от температуры трения и окружающей среды и типа вязкости.
Поясним новизну нового способа увеличения качества скольжения на примере.
Принимаем:
3
- плотность снега Р=80 кг/м - снег свежевыпавший;
2
- площадь лыжи S=0,08 м · 2 м=0,16 м;
-9
2
- средняя поверхностная плотность заряда Земли - 1,15·10 к/м;
2
- площадь соприкасающейся поверхности радиуса R (фрикционные связи) со снегом S от всей площади лыжи составляет 50%, т.е. 0,16:2=0,08 м;
- скорость лыжника V=30 км/час=8,3 м/ сек;
- вес лыжника 60 кг;
- диэлектрическая проницаемость снега ε=4.
Динамическая вязкость:
<mrow><mi>η</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>P</mi><mo>⋅</mo><mi>S</mi></mrow><mi>V</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>80</mn><mo>⋅</mo><mn>0,08</mn></mrow><mrow><mn>8,3</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,77</mn><mfrac><mrow><mi>к</mi><mi>г</mi><mo>⋅</mo><mi>с</mi><mi>е</mi><mi>к</mi></mrow><mrow><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
Электростатическое поле:
<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1,15</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>9</mn></mrow></msup></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>4</mn><mo>⋅</mo><mn>8,85</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>12</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>16</mn><mi>в</mi><mo>/</mo><mi>м</mi></mrow>
Электростатический заряд:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>η</mi><mi>V</mi><mi>S</mi></mrow><mrow><mi>E</mi><mi>l</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0,77</mn><mo>⋅</mo><mn>8,3</mn><mo>⋅</mo><mn>0,08</mn></mrow><mrow><mn>16</mn><mo>⋅</mo><mn>1</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>3</mn><mi>к</mi></mrow>
Сила сопротивления трению скольжения:
F=±Q-E=3·16=48 кг
Тогда сила притяжения лыжи при разнополярном заряде к снегу составит:
H
F=к(F±QE)=0,02·(60+48)=2,12 кг
Сила притяжения лыжи при однополярном заряде к снегу составит: всего:
F=0,02·(60-48)=0,24 кг
Из примера видно, что согласно заявленного способа наведения на поверхности лыжи однополярного заряда к снегу от источника питания сила притяжения составит всего лишь 0,24 кг в отличие от применения разных модификаций мазей, где сила притяжения равна 2,12 кг.
Предлагаемый способ повышения качества скольжения, не зависимо от веса и роста спортсмена, а также применения разных модификаций наносимых мазей позволяет выявить спортсменов, наиболее физически подготовленных к соревнованию для установления рекордных показателей, исключив добавочное давление на лыжу за счет притяжения разнополярных зарядов образуемого поля за счет трибоэлектризации, преодолевать которые дополнительно требовалось спортсмену больших усилий, а не увеличение скорости движения за счет своих сил.
1. Н.И.Кошкин, М.Г.Ширкевич. Справочник по элементарной физике. Изд. «Наука, М., 1972 г.
2. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Справочник по физике для инженеров и студентов ВУЗов. М. 1965 г.