Почему вьющийся камень скручивается? - физиков.нет
Купить гитару в Москве
13 голосов
/

В игре в керлинг игроки «скручивают» гранитную «скалу» (точного размера и примерно сплющенного цилиндра) вниз по «слою» льда в направлении цели; «камень» будет изгибаться на своем пути в направлении движения передней кромки. Вопрос здесь в том, каков механизм скручивания камня?

Стандартная физика трения указывает, что угловая скорость не должна оказывать никакого влияния на вектор поступательного движения; во время движения нижняя поверхность породы подвержена кинетическому трению. Из-за замедления при трении передний край породы оказывает (немного) большее усилие на лед, чем задний край; Казалось бы, это указывает на то, что камень будет изгибаться в противоположном направлении от того, что он делает.

Интуиция указала бы, что причина вьющегося движения будет из-за изменения кинетического трения скоростью; то есть вдоль «левой» стороны скалы (если скала движется от наблюдателя) для скалы, вращающейся против часовой стрелки, скорость вдоль грунта медленнее, чем для «правой» стороны; если кинетическое трение уменьшается с увеличением скорости, это было бы хорошим объяснением движения. Однако все, что я видел, похоже, указывает на то, что коэффициент кинетического трения постоянен; это правильно? Если да, то в чем причина (хорошо наблюдаемого) явления?

Ответы [ 5 ]

3 голосов
/

Коэффициент трения для камня для керлинга не является постоянным - движение по льду отличается от движения по неизменной твердой поверхности благодаря таянию, которое, в свою очередь, пропорционально большинству факторов, влияющих на трение (например, площадь контакта, скорость). Так что, как вы и подозреваете, трение уменьшается с увеличением скорости.

Из-за изменения CofF камень сильнее скручивается в конце своей траектории (поскольку он становится медленнее), чем в начале.

Кроме того, как говорит Марк С., команда может влиять на траекторию после доставки, подметая - основная задача подметальных машин - растопить или, по крайней мере, сгладить лед перед камнем (или нет, как требуется), который имеет тенденцию выпрямить и удлинить траекторию, уменьшив влияние трения на передний край камня.

2 голосов
/

Исследования в 2013 году дали бумагу (здесь: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043164813000732)

В реферате они согласны с тем, что силы трения не являются причиной:

Керлинговое движение объясняется асимметричным распределением силы трения, действующей на скользящий камень, так что трение на задней части камня (если смотреть в направлении движения) выше, чем на передней. В недавней работе мы могли показать, что никакое такое перераспределение трения, каким бы экстремальным оно ни было, не может объяснить величину наблюдаемого движения реального вьющегося камня.

Хотя бумага не доступна бесплатно, выпуск университета указывает на механизм, который бумага приписывает завитку (от https://www.uu.se/en/news/news-document/?id=2582&area=2)

... изогнутая траектория из-за микроскопической шероховатости камня, вызывающего микроскопические царапины на ледяном листе. Когда камень скользит по льду, шероховатость его ведущей половины вызовет небольшие царапины на льду. Вращение камня даст царапинам небольшое отклонение от направления скольжения. Когда грубые выступы на задней половине вскоре пройдут ту же область, они будут пересекать царапины спереди под небольшим углом. При пересечении этих царапин у них будет тенденция следовать за ними. Именно этот механизм царапин или гусеницы создает боковое усилие, необходимое для того, чтобы вызвать скручивание.

1 голос
/

Я тоже обдумал идею мокрого трения. Лед при сжатии образует жидкий слой, в котором применяется давление. Однако многие упускают из виду то, что поверхность льда, по которой движутся керлинговые камни, не является гладкой. чтобы подготовить лед к скручиванию, мы сначала используем скребок, чтобы сгладить его и выровнять. скребок - это очень острый нож с режущей кромкой длиной 5 футов, который шлифуется с допуском плоскостности 0,001 дюйма. Натяжение используется, чтобы вытащить концы на несколько тысячных дюйма, чтобы края не порезали ребро. Этот нож стекает по ледяному покрову, сбривая верхнюю часть льда. Это делается до тех пор, пока все высокие точки не будут удалены и лед не выровнен. Затем мы берем разбрызгиватель и разбрызгиваем капли воды по льду равномерно. Это оставляет капли размером примерно от 1/8 до 3/16 дюйма и высотой около 1 мм на поверхности льда, расстояние между каплями (мы называем их галькой) таково, что расстояние между каплями составляет около 1/8 дюйма. камни не являются гладкими на дне, бегущая поверхность камня представляет собой кольцо диаметром около 5,25 дюйма и шириной от 5 до 7 мм, это кольцо гладкое. Поверхность скалы, удаленная от поверхности бега, представляет собой гладкую дугу с каждой стороны (внутри и снаружи кольца), так что дно скалы имеет форму чашки внутри кольца и овально от поверхности льда за пределами кольца.

Когда камень бежит по поверхности, он не скользит плавно, он подпрыгивает вверх и вниз по гальке, когда скользит по ним. Это издает грохот или рев, который издают камни во время движения. Это подпрыгивание - то, что я чувствую, является ключом к завитку камня. Бегущая поверхность камня образует плоскость, поэтому камень обычно лежит на трех камешках в неподвижном состоянии. При беге по льду три камешка покоятся не так, камень, который скользит по любой данной камешке и смещается с нее, будет двигаться вверх и вниз, а в некоторых случаях камень может подпрыгнуть и на мгновение соприкоснуться со льдом. 1 или 2 камешка. Каждый раз, когда он находится в контакте с одной галькой, он будет закреплен на месте и будет вращаться вокруг закрепленной оси. Статистически закрепленные места будут равномерно распределены по всей беговой поверхности, и боковое движение, придаваемое закреплением, будет стремиться свести к нулевому среднему значению. но движение камней вперед в сочетании с вращением означает, что поверхности колец с обеих сторон будут двигаться с разными скоростями относительно льда. На стороне, которая продвигается относительно движения камня вперед, среднее время, в течение которого галька будет прикалывать камень, будет меньше, чем у гальки, прижимающейся к более медленной стороне кольца. это в среднем более длительное вращение в одну сторону по сравнению с другим будет смещать боковое движение камня в направлении, в котором вращение перемещает передний край камня. Таким образом, камень, движущийся на север с вращением по часовой стрелке, если смотреть сверху (передний край движется на восток), будет смещен в боковом направлении на восток. Идея закрепления заключается в том, что, когда свободно вращающийся диск (например, фрисби) закреплен рядом с краем диска, угловой момент диска заставит его вращаться вокруг закрепленного места в качестве новой оси. После освобождения от штифта диск теперь будет двигаться по новой траектории в направлении центра масс, когда штифт был освобожден. Таким образом, часть углового момента преобразуется в боковое движение.

0 голосов
/

Чтобы двигаться вверх, задняя часть камня должна иметь немного большее трение, чем передняя часть.

Пусть x будет направлением движения, а y охватывает плоскость диска. Простым примером для рассмотрения является предел подвижного камня, когда камень движется вперед и вращается с угловой скоростью $R\omega=v$ против часовой стрелки, как обычно вы рисуете плоскость x-y. В этом случае верхняя точка на краю не движется ни в одной точке, задняя часть идет вниз по оси y, а передняя часть идет вверх. Трение на спине должно быть немного выше, чтобы создать чистое усилие.

Асимметрия в трении должна быть связана с тем, что передний край сталкивается с новым льдом, в то время как задний край проходит через лед, который уже контактировал с передним краем. Это должно означать, что новый лед имеет меньшее трение, чем лед, который оказал некоторое трение, так что гладкий слой льда имеет коэффициент трения, который увеличивается с количеством скольжения, сделанного на нем. Это странно, я бы ожидал обратного, но это единственный способ объяснить скольжение.

Ведущее давление такое же, как скользящее давление для симметричного камня, и асимметрия в камне не объясняет эффект, так как они усредняются за полный оборот.

0 голосов
/

Камень создает пятно контакта со льдом. В этом случае он имеет приблизительно круглую форму с приблизительным радиусом $a=0.721\,\sqrt[3]{W\,D\left(\dfrac{1-\nu_{1}}{E_{1}}+\dfrac{1-\nu_{2}}{E_{2}}\right)}$, где $D$ - диаметр сферической поверхности контакта (диаметр короны камня), $W$ - вес камня и * 1004. *, $E$ - это коэффициент Пуассона и модуль Юнга для двух материалов, контактирующих (лед и камень).

Теперь, поскольку поверхность неровная, давление на контакт не обязательно симметрично, и может иметь центр давления по оси от оси вращения камня. Максимум эксцентриситета равен $a$, что дает максимально возможный крутящий момент, приложенный к камню, равный $T=\mu\,W\,a$, где $\mu$ - коэффициент трения.

Момент, который отвечает за изменение вращения камня. Как только камень вращается, свойства гидродинамического контакта изменяют путь камня. Трение не постоянно, поскольку оно зависит от давления, приложенного к каждому пятну. Думайте о верхнем слое льда как о смазывающем слое, и камень должен пробиваться сквозь него. Что касается механизма, которым это сложное взаимодействие создает побочную силу (отслеживающую силу), я не уверен, что смогу это объяснить. Может быть, кто-то еще может.

Ссылка: «Формулы для стресса и напряжения», Роарк, 3-е изд. 1954

Добро пожаловать на сайт физиков.нет, где вы можете задавать вопросы и получать ответы от других членов сообщества.
...