Mechanika mūsų gyvenime – traukinių judėjimas

MECHANIKA MŪSŲ GYVENIME

TRAUKINIŲ JUDĖJIMAS

Jei pasvarstytume, kokį vaidmenį atlieka fizika žmonijos gyvenime, pirmiausia pastebėtume, kad ji labai naudinga. Juk fizikos laimėjimai padeda lengviau gyventi. Fizika nagrinėja materijos( tai visa, kas realiai egzistuoja Žemėje ir už jos ribų) savybes, įvairius jos kitimus, dėsnius, pagal kuriuos ji kinta. Toli gražu ne visos materijos savybės, ne visi gamtos dėsniai žinomi. Bet visa fizikos ir kitų mokslų raida rodo, kad pasaulyje nėra nieko, ko nebūtų galima išaiškinti, ištirti, sužinoti ar suprasti.

Viskas pasaulyje vyksta kur nors iir kada nors: erdvėje ir laike. Kiekvienas kūnas bet kuriuo laiko momentu užima tam tikrą padėtį erdvėje kitų kūnų atžvilgiu. Jeigu ilgainiui kūno padėtis erdvėje nekinta, sakoma, jog kūnas nejuda, o jeigu kinta, tai kalbama apie kūno mechaninį judėjimą.

Mechaniniu kūno judėjimu vadinama jo padėties erdvėje kitimą kitų kūnų atžvilgiu.

Ištirti kūno judėjimą- vadinasi, nustatyti, kaip kinta jo padėtis laikui bėgant. Žinant šį kitimą, galima nurodyti kūno padėtį bet kuriuo laiko momentu. Tai ir yra pagrindinis mechanikos uždavinys- nustatyti kūno padėtį bet kkuriuo laiko momentu.

Prie tokių reiškinių, kuriuos atidžiau panagrinėjus iškyla netikėti dalykai, galima priskirti ir traukinių važiavimą, o tiksliau- traukinių važiavimą posūkiu. Čia neįprasta tai, kad traukinys rieda bėgiais, o jeigu sukasi bėgiai, tai turi suktis ir traukinys. Tačiau viskas daug ssudėtingiau nei atrodo iš pirmo žvilgsnio.

Kai sukasi bet kokios vežėčios, tai ratai, užmauti ant vienos ašies, nurieda skirtingo ilgio kelią. Pavyzdžiui, vežimo, kurio ratai sukasi į dešinę, lankai ne vienodi: vienas ilgesnis už kitą ir kairysis ratas pasisukant nurieda ilgesnį kelią negu dešinysis. Aišku ir tai, kad riedėdamas ilgesnį kelią, kairysis ratas turi pasisukti daugiau karų negu dešynysis. Vežimo ratai, užmauti ant vienos ašies, tačiau tarp savęs nesurišti, kiekvienas sukasi nepriklausomai nuo kito, taigi vežimo posūkis problemų nesukelia.

Tačiau traukinys, ne vežimas. Svarbiausias skirtumas yra tas, kad vagono ratai nejudamai pritvirtinti prie vienos ašies, taigi yra tarp savęs surišti ir negali suktis nepriklausomai vienas nuo kito.

Vagono ir vežimo konstrukcija skiriasi, nes skiriasi jų judėjimo sąlygos. Vežimas juda plačiu keliu ir nieko bbaisaus nenutiks, jei atstumas tarp ratų dėl kokios nors priežasties šiek tiek pasikeis. Kas kita vagonas: jis rieda bėgiais ir, kad riedėtų saugiai, atstumas tarp ratų turi būti tiksliai toks, kokio reikia, ir nė kiek nesikeisti.

Geležinkelio vagonų ratai sujungiami į vientisą konstrukciją su bendra ašimi. Du ratai ir juos jungianti ašis sudaro vadinamąją ratų porą, kuri vagonui riedant, sukasi kaip vienas kūnas. Taigi vagonas negali pasisukti taip kaip vežimas- vienas jo ratas negali apsisukti daugiau kartų negu kitas. Ir vis ddėlto posūkyje vienas ratas turi įveikti ilgesnį kelią.

Pasvarsčius, peršasi vienintelis atsakymas: jeigu ratai sukdamiesi kartu, nurieda skirtingą kelią, tai vienas jų šiek tiek slysta bėgiu. Deja, ir tai ne visai teisingai pastebėta. Geležinkelių eksplotavimo taisyklės griežtai draudžia vagonų ratų slydimą bėgiais, išskyrus tik ypatingas situacijas- avarinį stabdimą. Dėl ratų slydimo labiausiai dyla bėgiai ir patys ratai, mažėja vagonų riedėjimo stabilumas ir eismo saugumas.

Traukiniai, kaip žinome, sėkmingai įveikia posūkius, nors visai nesuprantama, kaip vienos poros ratai nurieda posūkyje skirtingą kelią, jeigu abu sukasi kartu ir nė vienas neslystrli bėgiu.

Pamėginkime išnagrinėti dar vieną galimybę: ratai nuriedėtų skirrtingą kelią apsisukdami tiek pat kartų ir neslysdami, jeigu skirtųsi jų spinduliai. Jeigu poros kairysis ratas būtų didesnio spindulio, tai, sukantis į dešinę, jis nuvažiuotų reikiamą ilgesnį kelią, slydimo neprireiktų ir tokia situacija būtųme visai patenkinti. Deja. tada tai pačiai ratų porai tektų suktis tai į dešinę, tai į kairę, vadinasi, turėtų būti didesnis tai dešinysis, tai kairysis ratas. O daugiausia traukinys važiuoja tiesiai, ir todėl ratai turi būti vienodi. Ar įmanoma, kad plieninis ratas riedėdamas tai didėtų, tai mažėtų? Neįtikėtina, tačiau būtent taip ir yra: vienu metu būna didesnis dešinysis, kitu- kairysis poros ratas.

Visa gudrybė tai, kad bėgį liečiantis rato paviršius, vadinamas riedėjimo ppaviršiumi, yra ne cilindrinis, o sudėtingos formos. Iš tiesų , jei ratų pora, kurios riedėjimo paviršius būtų kūginis, tai riedant tokiai ratų porai bėgius liečia ne visas riedėjimo paviršius, o tik tam tikri jo taškai. Apskritimai, kuriuos sudaro bėgį liečiantys rato taškai, vadinami riedėjimo apskritimais.

Jeigo ratų pora, stovi ant bėgių simetriškai, tai dešiniojo ir kairiojo rato riedėjimo apskritimai yra vienodo spindulio( apskritimai A ir B) ; tada abu ratai, kartu sukdamiesi, nurieda vienodą kelią. Taip kartu pora rieda tiesiais bėgiais. Posūkyje ratų pora šiek tiek paslenka skersai bėgių, ir tada riedėjimo apskritimu (A¢ ir B¢) spinduliai pasidaro skirtingi, todėl kartu besisukantys ratai nurieda skirtingo ilgio kelią.

Liko tik išsiaiškinti, kodėl posūkyje ratų pora paslenka skersai bėgių- juk tik šitaip pasidaro skirtingo ilgio riedėjimo apskritimai.

Kad posūkyje vagona su visomis ratų poromis šiek tiek paslinktų skersai bėgių, nereikia jokių specialių įtaisų,- jis paslinks savaime, niekieno neveikiamas. Kodėl? Tai padės išsiaiškinti viena kūnų savybė- inercija.

Yra žinoma, kad XVI amžiaus pabaigoje-XVII amžiaus pradžioje didysis italų astronomas, mechanikas ir fizikas Galilėjas Galilėjus ( 1564- 1642) atliko seriją bandimų, tyrinėdamas kūnų judėjimą ir nustatė šį dėsnį: jeigu kūno neveikia kiti kūnai, tai jis lieka rimties būsenoje arba juda tiesiai tolygiai Žemės atžvilgiu. Šis dėsnis buvo pavadintas inercijos ddėsniu.(Šitaip dėsnį pirmą kartą suformulavo Dekartas. Pats Galilėjus inercija vadino “natūralią planetų savybę judėti apie Saulę” ir manė, kad iš inercijos kūnai gali judėti tik apskritimais. Iš tikrųjų netgi Žemė nėra tiksliai inercinė sistema, nes sukasi aplink savo ašį ir apie Saulę, tačiau su jos judėjimu susiję pagreičiai nėra dideli ir paprastai galime sakyti, kad su Žeme susijusioje atskaitos sistemoje inrcijos dėsnis galioja). Inertiškumu pavadinta kūno savybė, galinti išlaikyti to kūno kryptį ir greitį. Taigi inercijos dėsnis buvo atskleistas kur kas anksčiau negu Niutonas suformulavo savo garsiuosius tris dėsnius, kurie yra visos mechanikos pagrindas. Vagono judėjimą taip pat reikia nagrinėti remientis šiais dėsniais, t.y. vienu iš jų- inercijos dėsniu.

Iš pradžių panaginėkime vagoną, riedantį bėgiais tolygiai ir tiesiai. Taip jis gali judėti tik tada, kai kitų kūnų poveikiai vieni kitus kompensuoja: sunkį kompensuoja bėgių reakcija, pasipriešinimą-lokomatyvo trauka. Kai jėgos atsvertos, vagonas juda taip, tarsi jo visai neveiktų jokios jėgos, t.y. pagal inercijos dėsnį jis išlieka tiesiaeigio tolyginio judėjimo būsenoje. O kas bus, kai bėgiai pasisuks? Kadangi vagonas stengsis judėti tiesiai, bėgiai ims “slinkti” iš po jo į šoną, ir dėl to ratų pora pasidarys nesimetriška bėgių atžvilgiu. Taigi skersinis vagono poslinkis bėgių atžvilgiu paaiškinamas jo inercija. Dėl šio poslinkio riedėjimo apskritimų

spinduliai pasidaro skirtingi, ir ratai nepraslysdami nurieda skirtingą kelią, nors sukasi kartu.

Ratų pora ir bėgiai slinks vieni kitų atžvilgiu tol, kol vienas ratas atsirems į bėgį ketera, esančia ant vidinio paviršius. Ši ketera, neleidžianti ratų porai nušokti nuo bėgių, vadinama antbriauniu. Jeigu bėgiai paslenka iš po vagono į dešinę, tai atsiremia į bėgį kairiojo rato antbriaunis ir vagoną pradeda veikti jėga, stumenti į dešinę. Ši jėga atlieka įcentrinėsjėgos vaidmenį ir priverčia vagoną judėti apskritimu.

Viskas darosi taip kaip ir reikia.