ПОЧЕМУ ВСЕ-ТАКИ КОЛЕСО?

 

Существует всего два способа движения тел относительно твердой или жидкой поверхности небесного тела – вращение (качение) и скольжение. Биологические организмы могут также перемещаться путем переставления конечностей. Однако здесь мы не уделим внимание этому способу движения.

Качение тела – это его вращение относительно оси, которая «параллельна» поверхности планеты и перпендикулярна вектору направления движения этого тела.

При скольжении тела его нижняя поверхность все время контактирует с поверхностью планеты. Для тел различной формы, плотности и объема в различных ситуациях предпочтительным способом движения является либо вращение, либо скольжение. На выбор способа движения влияет также Сила Удара (Сила Давления), а также тип вещества поверхности планеты и ее форма.

Давайте рассмотрим причины, по которым именно колесо издревле является наиболее предпочтительной геометрической формой в качестве основания под другие тела при их транспортировке.

Колесо также как и шар представляет собой удивительное механическое приспособление. Вероятно, человечество стало использовать плоские круглые и шарообразные тела с тех пор, как стало изыскивать наиболее удачные способы транспортировки грузов. В чем же состоит уникальность геометрической формы колеса или шара?

На твердой и плоской поверхности (или обладающей очень малой кривизной) колесо и шар будут касаться этой поверхности очень малым участком собственной поверхности. Для шара в идеале этот участок контакта сводится к одной точке, а для колеса – к линии. Такая малая площадь поверхности тела, контактирующей с поверхностью планеты, уменьшает величину одной из составляющих того, что в механике называют «Силами Трения». Речь идет о притяжении, действующем непосредственно между нижней поверхностью тела и поверхностью планеты.

Давайте сравним особенности приведения в движение двух тел – шарообразного и имеющего прямые углы. Пусть оба тела обладают абсолютно равными плотностью и объемом – т.е. их качественно-количественный состав одинаков. Это означает, что в составе каждого из тел находится одинаковое число элементов каждого представленного качества. Пусть каждое из тел покоится на твердой поверхности планеты относительно ее центра. Пусть это будет асфальтовое покрытие. «Покой» каждого из тел обеспечивают следующие Силы. Во-первых, в каждой частице каждого элемента каждого элемента действует Сила Притяжения ко всей массе химических элементов планеты. Данная Сила вызвана действием суммарного Поля Притяжения планеты. Наибольшее по величине Поле Притяжения направлена к центру планеты. Эфирный поток Поля Притяжения планеты движется сквозь элементы, в том числе сквозь элементы вещества поверхности планеты, и направлен он вдоль линии, проходящей через центр планеты.

И вторая Сила, обеспечивающее «покой», это Сила Притяжения, которая действует в частицах элементов, расположенных на поверхности тела, контактирующей с нижележащей поверхностью планеты, именно к частицам с Полями Притяжения в составе элементов этой поверхности.

Данные две Силы являются двумя составляющими «Сил Трения» (которых всего три) и именно они удерживают тело на одном месте. Направления векторов обеих Сил совпадают.

Можно считать, что вторая Сила Притяжения является составляющей единой суммарной Силы Притяжения к планете.

При малых размерах тела (в сравнении с размерами планеты) Сила Притяжения к планете можно считать величиной, не зависящей от высоты тела.

Суммарная Сила Притяжения тела складывается из Сил Притяжения всех частиц всех элементов этого тела. Как известно чем больше расстояние, тем меньше Сила Гравитации. Но так как общие размеры тела невелики, то разница между величиной Сил, возникающих в элементах нижней и верхней частях тела, оказывается очень мала (даже при достаточно большой высоте тела).

Таким образом, лишь одно из Сил может повлиять на способность тела сохранять состояние «покоя». Это Сила Притяжения, обусловленная контактом поверхностей. Чем меньше площадь нижней поверхности тела, которая соприкасается с поверхностью планеты, тем меньше будет суммарная «контактная» Сила Притяжения тела. Отсюда вывод: нижнюю поверхность именно шарообразного тела проще всего оторвать от нижележащей поверхности.

Удар шарообразного или шестигранного тела со стороны другого тела или давление на него ведет к началу инерционного движения элементов, расположенных вдоль линии давления (Силы). Остальные элементы тела начинают инерционное движение благодаря существованию связей с элементами, первыми начавшими движение.

У кубического тела есть только два способа осуществления инерционного движения: либо скользить нижней гранью по поверхности планеты, либо перекатываться. Качение шестигранника означает, что его нижняя грань должна отделиться от поверхности планеты, затем тело должно встать на ребро, и после этого упасть на переднюю грань.

Что касается инерционного движения шара, то оно также может осуществляться и скольжением, и качением. Однако скольжение шара – это очень редкий способ его перемещения. Вероятнее всего оно должно сопровождаться вращением шара вокруг оси, перпендикулярной плоскости покрытия. Почти всегда шар катится. Качение шара означает, что нижележащая точка поверхности шара отрывается от поверхности покрытия, а следующая по ходу движения точка на поверхности шара падает на поверхность покрытия. И так до бесконечности.

Таким образом, именно шарообразное тело очень легко катить. И если сравнивать приведение в состояние инерционного движения качения два тела – шарообразное и шестигранное, то «победит», несомненно, шар. Этому две причины: очень малая площадь контакта с нижележащей поверхностью и постоянство местоположения в процессе движения «центра масс» тела (из-за отсутствия выступающих частей). Оба этих фактора являются причиной того, что шарообразное тело очень легко приводить в состояние инерционного движения-качения. По сравнению с телом любой другой формы Сила (давление) соударяющегося или сдавливающего тела для шарообразного тела может быть несравнимо меньше.

Что касается скольжения, то это обычный способ инерционного движения шестигранников с прямыми углами. Особенно такой способ характерен для шестигранников, чья высота меньше длины и ширины. Если же высота тела больше длины и ширины, то оно начинает движение качения, после чего падает на переднюю грань. Например, это происходит с вертикально стоящим столбом или доской, или с этажеркой. После падения на переднюю грань тело проще заставить скользить. При появлении препятствий на поверхности, по которой скользит шестигранное тело, тело, соударяясь с ними, может отскочить. При этом, если скорость движения тела была большой, то после соударения с препятствием тело может начать кувыркаться, т.е. катиться.

Если поверхность планеты, на которой покоится тело, жидкая или покрыта слоем жидкости (смазки), то это значительно уменьшает Силу Давления, необходимую для того, чтобы заставить шестигранное тело скользить. Эти же условия затрудняют качение шара в прежнем направлении, и могут вызвать появление скольжения дополнительно к качению.

Еще раз подведем итог. Если сравнивать Силу Давления, необходимую для приведения в движение шарообразного и шестигранного тела с прямыми углами, то гораздо меньшая Сила потребуется, чтобы заставить катиться шар, чем скользить или катиться шестигранник (да и тело любой другой формы).

Все, что было сказано относительно преимуществ приведения в движение шарообразного тела, применимо и к колесу. С той лишь разницей, что число прямых, вдоль которых шар может быть приведен в движение, бесконечно. А вот для колеса такая прямая всего одна, и она перпендикулярна оси колеса и параллельна плоскости покрытия.

Вот поэтому колесо, шар, круг – это уникальные геометрические формы, используемые в механике.

 

 

28. ПОЧЕМУ САНКИ, ЛЫЖИ И КОНЬКИ СКОЛЬЗЯТ ПО СНЕГУ И ЛЬДУ? «ПОПЛЮЕШЬ НА РУКИ И ДЕЛО СПОРИТСЯ»

 

Когда я пишу эти строки, на календаре зима, близко к ее середине – 10 января. Уже миновали Новый Год, Рождество и мой день рождения. Зима выдалась теплая, средняя температура 0º. Но, несмотря на теплую погоду, снега выпадает достаточно. Хотя из-за частых оттепелей он часто стаивает. Хотя и не до конца. А последующие заморозки превращают землю в ледяную корку. Так повторялось уже не раз.

Итак, снег в этом году есть. Лед тоже есть. А потому можно кататься на лыжах, санках и коньках. Что и делают дети и взрослые, хотя забавы последних мне удается лицезреть совсем не часто.

Всякий раз, когда я вижу по телевизору лыжника, саночника или конькобежца, лыжника в поле за школой, или просто ребенка, которого везут на санках, или который сам весело съезжает с горы, я думаю о том, что давно хочу написать статью на эту тему и немного осветить этот вопрос. Эта же мысль неизменно приходит в мою голову каждый раз, как я поскальзываюсь на льду где-нибудь на улице.

Причина нашего скольжения по льду и по снегу проста и очевидна. Это – вода. Точнее, вода в плотном агрегатном состоянии. Либо как единый монолит – лед. Либо в виде отдельных кристаллов – снег.

Вы когда-нибудь пытались протащить нагруженные санки по голому асфальту? Или по тому же непокрытому снегом или льдом асфальту перейти дорогу на лыжах? Если да, тогда вы должны помнить, насколько это нелегко. Санки, которые до этого так легко скользили по снежку, вдруг буквально прирастают к земле, становятся такими тяжелыми и с трудом удается их сдвинуть с места. Они скребут асфальт, издавая противный звук.

То же самое происходит и с лыжами. По поверхности, лишенной снега или льда, они не катятся. Приходится переставлять их одну за другой, и таким черепашьим методом добираться до другой стороны дороги (если, конечно, мы не догадались их до этого снять). Точно также мучительно двигаться по земле ли асфальту на коньках.

Зато просто в сапогах или ботинках мы гораздо увереннее ступаем не по льду и снегу, а именно по земле и асфальту. Вспомните, именно такие, оттаявшие участки дороги мы выбираем, когда боимся поскользнуться и упасть.

На водных лыжах тоже легко скользить, только по водной глади. Однако если лыжника не будет тянуть за собой катер, т.е. если лыжам не будет придана определенная скорость, они просто погрузятся в воду – утонут.

Так что же такого особенного в воде, что она позволяет скользить по себе телам, уменьшая скорость их торможения?

Если вы помните, при нормальных условиях, при +23º, вода – это жидкость. А замерзает она, т.е. становится твердой, при 0º. В то время как асфальт и частицы грунта твердые и при 0º, и при +23º. Асфальт начинает размягчаться при температуре где-то около +40º. Т.е. вода – это вещество с достаточно высокой температурой плавления (перехода в жидкое состояние). Легко плавить вещества, состоящие из химических элементов с большим процентом частиц Ян (испускающих эфир). Весь смысл процесса плавления вещества сводится к приданию большей подвижности его составным частям – химическим элементам. За счет увеличения процента частиц Ян, в единице объема вещества растет суммарное количество эфира, рождающееся в нем в каждый момент времени. Эфир увеличивает расстояние между частицами, химическими элементами и молекулами. Так и происходит ослабление связей.

Вода состоит из водорода и кислорода. Оба они относятся к числу легких типов элементов. Их расположение в верхних периодах говорит нам о том, что в их состав входит меньшее число элементарных частиц, нежели в элементы нижних периодов. Тот факт, что оба они при н.у. газы, указывает на то, что в их состав входит большой процент частиц Ян. Тем не менее, у водорода в составе поверхностных слоев большой процент частиц Инь. У кислорода есть как Ян, так и Инь, число красных и синих примерно поровну.

Все эти факторы, вместе взятые, указывают нам на то, что оба эти элемента легкие, имеют небольшую массу.

Тот факт, что оба простых вещества – водород и кислород – при н.у. газы, а сама вода при этой же температуре – жидкость, указывает нам на то, что при образовании молекулы воды оба химических элемента должны были потерять с поверхности часть свободного заряда – фотонов, полученных с Солнца. Среди солнечных частиц, испускаемых Солнцем, как известно, преобладают частицы Ян. Их потеря с поверхности химического элемента приводит к его утяжелению. Масса молекулы воды больше массы формирующих ее химических элементов кислорода и водорода, когда они в свободном состоянии.

Это небольшое вступление, где мы попытались рассказать о качественно-количественном составе молекулы воды.

А теперь непосредственно перейдем непосредственно к объяснению того, почему вода позволяет по себе скользить, слабо тормозя движение тел.

Притяжение тел к планете складывается из притяжения всеми частицами Инь, что располагаются ниже притягиваемого тела. Вещество, по которому происходит движение, также следует учитывать. Учитывать, насколько оно усиливает или ослабляет суммарное притяжение планеты. Ведь частицы Ян, как рассказывалось в части, посвященной механике частиц, уменьшают величину Поля Притяжения, располагаясь перед частицами Инь, поглощающими эфир. Так что слой снега или льда на асфальте или почве несомненно ослабляет суммарное Поле Притяжения планеты. Точнее, не ослабляет, а не делает его большим по величине, каким оно могло бы быть, будь вместо снега или льда слой более плотного вещества.

Это основная причина, по которой санки, лыжи и коньки легко скользят по снегу и льду.

Слабое притяжение со стороны замерзшей воды как раз и объясняет хорошо известный нам эффект скольжения, который мы можем наблюдать.

Если вы помните из предыдущих статей, чем меньше Сила Притяжения тела к планете, тем меньшей Силой Инерции может обладать тело для того, чтобы двигаться по инерции относительно поверхности планеты. Чем меньше Сила Притяжения, возникающая в теле, тем меньшая степень трансформации требуется от частиц в составе этого тела. Вот и выходит, что если тело находится на снегу, или, тем более, на льду, то к нему потребуется приложить меньшую Силу Давления (или Удара), чтобы сдвинуть его с места и заставить двигаться, нежели к тому же телу, но находящемуся на голой земле или асфальте. Этот факт должен быть хорошо знаком любому, кто перемещал (или пытался перемещать) какие-либо тяжести зимой на санках по снежку. Даже если санки достаточно нагружены, тянуть их довольно легко, самое сложное, наверное – сдвинуть с места. Тот же самый груз тащить на санках летом можно даже не пытаться.

С точки зрения механики, замедление движущегося тела при его контакте с другими телами относится к проявлению действия Сил Трения. Можно считать, так оно и есть. Однако в механике особенно не раскрывается природа этих Сил.

В действительности, Силы Трения имеют комплексный характер. Это Силы Притяжения вкупе с Силами Давления. Силы Притяжения вызывает тело или среда, с которой происходит контакт движущегося тела. А Силы Давления – это то пассивное давление, сопротивление шероховатостей и неровностей на контактирующих поверхностях. Выступы и углубления.

В связи с этим следует упомянуть. Что движение по снегу и по льду имеет в каждом из этих случаев свои особенности. И обусловлены они как раз вторым компонентом Сил Трения – Силами Давления. Как было только что сказано, первый компонент – это Силы Притяжения. Можно считать, что величина Сил Притяжения, возникающих в движущихся телах по отношению ко льду и снегу, одна и та же. Так как составная единица того, и другого одна и та же – охлажденная молекула воды. Разница может объясняться лишь толщиной снежного или ледяного покрова. И его температурой. Чем холоднее, тем больше Сила Притяжения и тяжелее тело. Возможно, именно по этой причине, для лыж при разной температуре подбирают разную смазку. И в этом как раз и заключается мастерство сервис-бригады смазчиков в спорте, связанном с лыжами (лыжи, биатлон, горные лыжи, прыжки с трамплина, сноуборд). Сервисеры смазчики должны хорошо разбираться в физико-химических свойствах смазочных средств – восков, парафинов. Об этом можно написать очень многое. Главное – задаться целью.

Вторая составляющая Сил Трения – Силы Давления – для снега и льда отличается.

Лед – это единая масса замерзшей жидкой воды. Вода покрывала твердые тела, и в этот момент температура окружающего воздуха начала понижаться. И вода превратилась в лед – в твердую воду.

В жидком состоянии связи между молекулами воды слабые. Это означает, что молекулы воды под действием других внешних сил, действующих на них, легко смещаются друг относительно друга. Лучше всего продемонстрировать поведение воды в жидком состоянии нам могут магнитные шарики из детского конструктора. Шарики соединены между собой, но при этом легко меняют свое местоположение друг относительно друга.

Именно поэтому под действием притяжения со стороны какого-либо тела, по которому растекается вода, ее молекулы легко изменяют свое местонахождение и экономично заполняют имеющееся пространство относительно притягивающего их тела (например, поверхности Земли, или тела, по которому вода стекает – так образуются сосульки и ледяные наросты на крышах и деревьях). Именно за счет экономичного распределения молекул воды в жидом состоянии, возникающий лед имеет гладкость, близкую к идеальной. Т.е. какое бы тело ни начало движение по ледяной глади, оно не будет встречать практически никаких механических препятствий в виде шероховатостей, особенно в том случае, если поверхность, на которой образовался лед, сама была ровной.

Что касается снега, то он составлен из множества кристалликов замерзшей воды – снежинок. Слипаясь друг с другом под влиянием Сил Притяжения, они образуют хлопья снега, которые и падают на нас зимой из снеговых туч.

Замерзание молекулы воды означает, что она теряет с поверхности образующих ее химических элементов накопленные фотоны солнечного происхождения. Больше всего этих фотонов накапливается на поверхности водорода, так как поверхностные слои водорода содержат большой процент фотонов Инь (поглощающих эфир). Оголение водорода ведет к тому, что молекулы воды начинают разворачиваться друг относительно друга. Оголенный водород соседних молекул начинает притягиваться друг к другу. В жидком состоянии воды водород был «прикрыт» свободными частицами. Они экранировали фотоны Инь в его составе, и уменьшали таким путем проявление вовне Полей Притяжения этих фотонов. Среди солнечных частиц (испускаемых Солнцем) преобладают частицы Ян (испускающие эфир). Из-за этого экранирования притяжение со стороны водорода воды в жидком состоянии не столь сильное.

Когда вода замерзает и молекулы «разворачиваются» друг к другу «водородными частями», «кислородные концы» тоже поворачиваются друг к другу. В жидком состоянии молекулы соединены так – «водород-кислород-водород-кислород». А в твердом так: «кислород-кислород-водород-водород-кислород-кислород-водород-водород».

Точнее говоря, в твердом состоянии соединение идет за счет водородных связей. А элементы кислорода просто вынуждены поворачиваться друг к другу.

Так как элементы кислорода не содержат в составе поверхностных слоев столько фотонов Инь, сколько водород, то процесс замерзания – потери свободных фотонов – существенно не сказывается на особенностях Силового Поля элементов. Как было значительное по величине Поле Отталкивания, так оно и остается. Поэтому, когда молекулы воды разворачиваются друг к другу кислородом, элементы кислорода оказывают друг на друга трансформирующее влияние. Напомним, что трансформация – это нагрев, повышение температуры. Элементы испускают в сторону друг друга эфир (благодаря частицам Ян), и. тем самым, нагревают (трансформируют). Эфир, испускаемый каждым из элементов в сторону другого, мешает тому испускать эфир. Из-за этого противодействия и происходит трансформация качества частиц в составе элементов. А нагрев, как известно, всегда сопровождается расширением вещества. Вот потому то вода, замерзая, расширяется. Но не намного. Не так, как она будет расширяться, если начать ее кипятить.

Пройдена точка замерзания, молекулы развернулись и кислород трансформировался (нагрелся) в составе молекул. Но этот нагрев точечный, очень слабый. Это не нагрев, например, за счет сгорания топлива или пропусканием электрического тока, когда накапливается огромное число свободных частиц с Полями Отталкивания (Ян).

В дальнейшем, если охлаждение воды продолжится, больше расширения не произойдет.

Таким образом, мы разобрали причины расширения воды при охлаждении.

Теперь снова вернемся к теме скольжения лыж, коньков и санок по льду или снегу.

Снежинки слишком тяжелые. Они не могут задерживаться на вертикальных поверхностях. И падают на землю. А также оседают на горизонтальных плоскостях, и близких к ним – где-то до 45º. Когда отдельно взятая молекула воды попадает на вертикальную поверхность, Сила Притяжения к этой поверхности может превысить Силу Притяжения к планете. Именно поэтому, когда идет дождь, или тело облито водой, то оно остается мокрым, пока не высохнет (если температура достаточно высока). Если бы для каждой молекулы воды Сила Притяжения к планете превышала ее Силу Притяжения к телу, то тело, облитое водой, после этого оставалось бы сухим. В жидкой воде каждая молекула «работает» сама на себя и «отвечает» только за себя. Она не «обязана» удерживать другие молекулы воды. А ведь у снежинки та и происходит. Снежинка – это кристалл воды. В ней все молекулы связаны друг с другом в определенном порядке. В снежинке действует суммарная Сила Притяжения к планете. Если, падая, снежинка, касается вертикальной поверхности тела какой-то своей частью, а другими частями не касается, то, скорее всего Сила Притяжения (суммарная) снежинки окажется больше Силы Притяжения того участка снежинки, что коснулся тела.

Помимо этого, в молекулах воды в составе снежинки вовне обращены элементы кислорода. А элементы водорода (создающие большие по величине Силы притяжения), обращены друг к другу – т.е. сокрыты внутри молекул и внутри снежинки. А это означает, что вода в жидком состоянии обладает большей способностью, нежели твердая, притягивать и притягиваться. Если смочить руки водой, легче считать денежные купюры и перелистывать книги. В любых народных сказаниях работа выполнялась, когда герой засучил рукава и поплевал на руки – т.е. смочил их слюной.

Надо постоянно помнить, что плотные тела притягивают химические элементы из окружающей среды. И какая среда окружает плотное тело, такие элементы и будут притягиваться. Газообразная – элементы газа. Жидкая – притягиваются элементы жидкости. Когда руки сухие, не намоченные – это означает, что их поверхность покрыта элементами воздуха. Если руки намочить – элементы и молекулы воздуха вытесняются молекулами жидкости. А у жидкости, например, у воды, притяжение всегда выше, нежели у газа. Вот вам и объяснение. Намочил руки, поплевал на них – любое дело лучше спорится, так как предметы удерживаются в руках крепче. А из сухих рук все выскальзывает, если не напрягать ладони. А во влажных держатся и без чрезмерных усилий.

Из свежевыпавшего снега на морозце снеговика не слепить, и снежков не наделать. Для этой работы должна быть высокой влажность снега и воздуха. Т.е. температура должна быть близкой к нулю и снег должен слегка подтаивать.