Силы и движение

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ МЕХАНИКИ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ И

РАБОТЫ ЛОКОМОТИВОВ

§ 1. Силы и движение

Мы часто говорим, что поезд ведет локомотив. Но что именно с физической точки зрения вызывает движение состава? Почему один и тот же поезд в одних условиях движется быстро, а в других значительно медленнее? Какие данные и характеристики локомотива определяют характер движения поезда? Чтобы ответить на эти вопросы, надо вспомнить раздел механики из школьного курса физики.

В любом учебнике физики рассматривается простейший пример прямолинейного движения тела по плоскости (рис. 1 ,а). Тело (предмет) А лежит на горизонтальной опорной поверхности жидкости Б (или плавает на поверхности). Сила тяжести (вес) тела Р действует на опорную поверхность сверху вниз: Р = mg, где m — масса, а g — ускорение земного притяжения (g = 9,81 м/с²). Реакция опорной поверхности N (или выталкивающая сила жидкости) по закону равенства действия и противодействия равна силе тяжести по величине и противоположна по направлению. Вследствие равенства и противоположности действующих сил их сумма или равнодействующая равна нулю, т.е. тело находится в состоянии покоя (в вертикальном направлении).

Рис. 1. Силы, действующие на материальное тело:

а - в состоянии покоя; б - при движении

Каким образом можно вывести тело А из состояния неподвижности и заставить его двигаться в горизонтальном направлении, например вправо? Ответ может быть лишь один — необходимо приложить к телу какую-то внешнюю силу (а сила в физике — это результат взаимодействия двух тел), направленную в сторону ожидаемого движения.

Рекомендуемые материалы

Потянем тело А вправо с силой F, приложенной к телу, например, при помощи гибкой нити (рис, 1 ,б.). Если сила F превысит по величине силу сопротивления тела страгиванию (которую иногда называют силой трения покоя), то тело сдвинется с места и будет перемещаться вправо. Препятствовать этому перемещению будет сила сопротивления движению W₀, являющаяся результатом трения скольжения между телом А и опорной поверхностью Б или, в общем случае, окружающей средой. По закону Кулона — Амонтона величина силы трения скольжения прямо пропорциональна величине силы нормального давления N тела А на опорную поверхность Б, т.е. силе тяжести Р, а именно: , где  — коэффициент трения. Если сила F больше силы W₀, то равнодействующая этих сил R будет больше 0, т.е. R= F – W₀ > 0, и направлена вправо. В этом случае движение тела будет ускоренным.

Величина ускорения а тела на основании второго закона Ньютона пропорциональна равнодействующей силе F – W₀ и обратно пропорциональна массе m тела, т.е. а = (F – W₀)/m.

Таким образом, движение тела по горизонтальной поверхности связано с наличием двух групп сил. Две вертикальные силы (тяжести и реакция опорной поверхности — пути) уравновешены, а две горизонтальные силы не уравновешены. Поэтому движение будет горизонтальным. Сила сопротивления W₀ появляется с момента начала движения, она неуправляема и не зависит от того, что организует движение. Зато сила F полностью зависит от того, что организует движение, а точнее, от мощности двигателя транспортного средства. Поэтому-то силу F и называют движущей силой.

Сформулируем основные условия движения материальных тел, вытекающие из законов механики:

Таблица   1

Способы создания движущей силы в различных видах транспорта

· причиной движения может быть только внешняя по отношению к телу сила F (см. рис. 1);

· характер движения (изменения скорости) зависит от соотношения величин движущей силы и силы сопротивления. Например, увеличение скорости движения тела будет происходить, если F > W₀ и т.д.

В рассмотренном выше случае тело А движется го плоскости Б при помощи гибкой нити (непосредственное приложение силы). Какие еще способы создания движущей силы можно встретить в природе, технике (например, при движении лифта, рыбы в воде, шагающего по тротуару человека, ракеты в космическом пространстве и т.д.)? Ответы на эти вопросы можно получить из табл. 1, где приведены основные способы создания движущей силы, реализованные природой и человеком в различ­ных видах транспорта, и соответствующие им примеры.

Так, во всевозможных видах транспорта используются разные способы создания движущей силы. Большинство из них относится к трем принципиально отличающимся группам.

Первая группа — непосредственное приложение внешней силы. Самая очевидная форма реализации данного способа — это приложение внешней силы от стационарного источника энергии при помощи гибкой связи (каната), как показано на рис. 1.

Существуют различные системы, в которых транспортные средства перемещаются при помощи канатной тяги. Но они пригодны для транспортировки грузов или пассажиров на ограниченные расстояния.

Однако надо заметить, что в начальную пору железнодорожного строительства в некоторых случаях проекты рельсовых дорог с канатной тягой от стационарных паровых машин не только всерьез конкурировали с локомотивной тягой, но и были частично реализованы (на подъемах) на первых железнодорожных линиях Дарлингтон — Стоктон и Ливерпуль — Манчестер в Англии в 1825 и 1830 гг., соответственно.

Другая форма непосредственного использования внешней силы, а именно, использование динамического давления ветра при помощи паруса, была очень долгое время для человечества основным способом передвижения по воде, причем даже на очень большие расстояния — при кругосветных экспедициях. Недостаток этого способа, если говорить о массовых перевозках грузов или пассажиров, очевиден: ветер не всегда есть вообще и далеко не всегда он дует е нужную сторону.

Существуют еще некоторые формы непосредственного приложения внешней силы для транспорта:

· использование давления воздуха, газа или жидкости в замкнутых трубопроводах (трубопроводный транспорт нефти и газа, пневмо- и гидротранспорт сыпучих материалов, пневматическая почта внутри служебных помещений, которая была распространена до появления электрических видов связи);

· использование электромагнитного взаимодействия между искусственным путем и транспортным средством (линейный электродвигатель, ускорители ядерных частиц).

Очевидно, что эти способы еще менее универсальны и существенно ограничены по своим возможностям — либо по определенному виду транспортируемого груза, либо по расстоянию транспортировки.

Вторая группа — использование реакций твердого пути или подвижной среды, окружающей транспортные средства.

Можно перечислить основные из них,

Отталкивание рычагами от твердой поверхности. Этим способом пользуются наземные животные (и, естественно, люди), опорными «рычагами» для которых служат их собственные ноги. Реакция возникает при отталкивании от поверхности вследствие наличия трения между опорой (ногой) и поверхностью дороги. Эффективность этого способа непосредственно зависит именно от величины силы трения. Мы знаем сами, как трудно передвигаться при ее практическом отсутствии (например, по гладкому льду).

Недостаток этого способа для создания сухопутных транспортных средств — неравномерность действия движущей силы, ее циклический характер, связанный с попеременным отталкиванием при ограниченном (два или четыре) количестве опор или рычагов.

Тем не менее, была в свое время попытка использования этого способа при создании одного из первых паровозов в самом начале позапрошлого столетия (его создал изобретатель Уильям Брентон в Англии в 1813 г.). Паровоз Брентона имел пару вертикальных рычагов (стоек), которыми он под действием паровой машины буквально отталкивался от поверхности земли, примерно так же, как это делает лыжник, отталкиваясь палками.

Из-за очевидного недостатка (неравномерности действия отталкивающей силы по величине и по времени), о котором говорилось выше, этот паровоз не мог работать достаточно эффективно и такая идея не получила дальнейшего развития. Однако в оправдание изобретателя надо сказать, что «ноги», расположенные по обеим сторонам локомотива, были применены на паровозе еще и для того, чтобы он сохранял устойчивость, двигаясь по очень неровному пути, уложенному из коротких рельсов.

Отталкивание рычагами от подвижной среды. Такое перемещение происходит в воде и воздухе. Человек использовал этот способ на воде, применив весла, которыми гребец отталкивается от нее. Недостаток здесь тот же — циклический характер гребков приводит к неравномерности действия движущей силы. В колесном пароходе, благодаря большому числу лопастей на колесах и тому, что при вращении колес число одновременно отталкивающихся от воды лопастей остается одним и тем же, этот недостаток уже не ощущается. В этом случае отталкивание становится практически непрерывным и равномерным.

Непрерывное отталкивание колесом от твердой поверхности. На этом принципе основан весь современный наземный самоходный колесный транспорт. Колесо, к которому должен быть приложен вращающий момент, создаваемый мускульной силой велосипедиста или передаваемый от вала двигателя (энергетической установки) транспортного средства, благодаря наличию трения между колесом и поверхностью дороги непрерывно отталкивается от нее и преобразует свое вращение в поступательное движение всего экипажа, Эта непрерывность процесса отталкивания позволяет создавать технические транспортные средства, в которых движущая сила может действовать постоянно.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - Характеристика психологического консультирования как вида психологической помощи.

Непрерывное отталкивание движущим винтом от подвижной среды. Так можно назвать способ создания движущей силы при помощи гребного винта в воде и пропеллера в воздухе, который аналогичен по своим свойствам и преимуществам ведущего колеса на твердой поверхности.

Современный флот (речной и морской, надводный и подводный) основан именно на этом принципе, так же, как и винтовая (пропеллерная) авиация.

Третью группу из возможных способов создания движущих сил на транспорте обычно называют реактивным движением. Строго говоря, все перечисленные выше способы могли бы быть также названы реактивными и, по сути дела, ими и являются, так как основаны на использовании реакций окружающей среды.

Но под реактивным движением обычно принято подразумевать движение за счет силы внутренней реакции газовой струи, вытекающей с большой скоростью из камеры сгорания двигателя.

Имелись попытки использования реактивных двигателей для создания движущей силы и на железнодорожном подвижном составе (в частности, в СССР в 1971 — 1972 гг. испытывался опытный вагон с двумя авиационными турбореактивными двигателями, который при движении смог достичь скорости 249 км/ч).

Ясно, что все подобные транспортные машины с реактивными двигателями на поверхности земли могут иметь лишь или экспериментальный, или спортивный характер — ввиду своих явно не экологических качеств (непомерный шум, пожароопасность), не говоря уже о главном — отсутствии гарантированного обеспечения безопасности самого движения.