مقاله شماره ۱۵۷ | چگونه یک چرخ کوچک یک درب شیشهای سنگین را حمل میکند؟ اصل غلتش
مقاله شماره ۱۵۷ | چگونه یک چرخ کوچک یک درب شیشهای سنگین را حمل میکند؟ اصل غلتش
یک در شیشهای به وزن ۱۰۰ کیلوگرم، بیصدا روی یک ریل آلومینیومی حرکت میکند و توسط چهار چرخ کوچک که از یک سکه بزرگتر نیستند، پشتیبانی میشود. تضاد بین جرم قابل توجه در و اندازه کوچک آن،غلتکبه نظر میرسد چرخها با عقل سلیم در تضاد هستند. یک جسم سنگین که روی یک نقطه تماس کوچک قرار میگیرد، باید فرو برود، خرد شود یا گیر کند. با این حال، میلیونها درب کشویی برای دههها به راحتی روی غلتکهایی که در کف دست جا میشوند، کار میکنند. توضیح این موضوع نه تنها در قدرت غلتک، بلکه در فیزیک بنیادی تماس غلتشی نهفته است - اصلی که بارهای عظیم را در نواحی کوچک توزیع میکند و در عین حال اصطکاک کشویی را به مقاومت غلتشی بسیار کمتری تبدیل میکند.
تفاوت بین لغزش و غلتیدن
برای فهمیدن اینکه چطور یک چیز کوچکنقشراگر یک در سنگین را حمل میکند، بهتر است ابتدا در نظر بگیرید که چه کاری انجام نمیدهد. غلتک روی ریل نمیلغزد. اگر همان در ۱۰۰ کیلوگرمی بدون چرخ روی ریل کشیده شود، اصطکاک لغزشی بسیار زیاد خواهد بود. نیروی لازم برای حرکت آن تقریباً ۳۰ تا ۴۰ درصد وزن در خواهد بود - حدود ۳۰ تا ۴۰ کیلوگرم نیروی فشار. ریل آلومینیومی ظرف چند هفته شیار برمیدارد و شیار ایجاد میکند. در عملاً غیرقابل استفاده خواهد بود. یک چرخ غلتان این وضعیت را کاملاً تغییر میدهد. وقتی چرخی بدون لغزش میغلتد، نقطه تماس بین چرخ و ریل لحظهای نسبت به سطح ریل ثابت است. در نقطه تماس هیچ حرکت لغزشی وجود ندارد و بنابراین هیچ اصطکاک لغزشی به معنای کلاسیک آن وجود ندارد. آنچه باقی میماند مقاومت غلتشی است که برای یک چرخ سخت روی سطح سخت معمولاً تنها ۱ تا ۳ درصد اصطکاک لغزشی است که بدون چرخ وجود دارد. به همین دلیل است که یک کودک میتواند یک در کشویی سنگین را که به درستی روی غلتکهای کارآمد نصب شده است، هل دهد - کودک بر بخش کوچکی از نیرویی که برای کشیدن همان در روی همان سطح لازم است، غلبه میکند.
فشار تماسی: ناحیه کوچک، اعداد بزرگ
The غلتکچرخ در یک ناحیه بسیار کوچک با ریل تماس دارد - یک سطح تماس که ممکن است فقط چند میلیمتر مربع باشد. تقسیم ساده فشار عظیمی را نشان میدهد. بار ۲۵ کیلوگرمی برای هر چرخ، تقسیم بر سطح تماسی که شاید ۵ میلیمتر مربع باشد، فشار تماسی تقریباً ۵۰ مگاپاسکال ایجاد میکند. این یک تنش قابل توجه است، اما کاملاً در محدوده ظرفیت تحمل فولاد سخت شده یا پلیمرهای مهندسی است. مواد مورد استفاده در غلتکهای باکیفیت به طور خاص برای تحمل این فشارها بدون تغییر شکل دائمی انتخاب میشوند. غلتکهای فولادی سخت شده، که معمولاً تا ۵۸ تا ۶۲ در مقیاس راکول C سخت شدهاند، میتوانند فشارهای تماسی بیش از ۱۰۰۰ مگاپاسکال را قبل از تسلیم تحمل کنند. ریل آلومینیومی، با سختی پایینتر خود، توسط هندسه تماس محافظت میشود: یک غلتک منحنی روی یک ریل صاف یا کمی شیاردار، یک بیضی تماسی ایجاد میکند، نه یک نقطه تیز، و بار در یک ناحیه قابل محاسبه که توسط شعاع غلتک و خواص الاستیک هر دو ماده تعیین میشود، پخش میشود.
نقش یاتاقان
درون هرغلتکچرخ، یاتاقانی است که حداقل به اندازه خود چرخ اهمیت دارد. چرخ روی ریل میغلتد، اما باید آزادانه به دور محور خود نیز بچرخد. بدون یاتاقان، اصطکاک بین سوراخ چرخ و محور، بخش زیادی از مزایای غلتیدن را از بین میبرد. غلتکهای درب کشویی باکیفیت از یاتاقانهای ساچمهای شیار عمیق استفاده میکنند که اصطکاک در محور را به بخش کوچکی از بار کاهش میدهند. یاتاقان ساچمهای بر اساس همان اصل خود چرخ عمل میکند - ساچمهها بین رینگهای داخلی و خارجی میغلتند و اصطکاک لغزشی را با مقاومت غلتشی در سطح مشترک محور جایگزین میکنند. یاتاقان همچنین یک عملکرد ساختاری دارد. این یاتاقان، تراز دقیق چرخ را روی محور خود حفظ میکند و تضمین میکند که چرخ در یک صفحه ثابت و بدون لرزش یا کج شدن بچرخد. چرخی که میلرزد، بار خود را روی بخش کوچکتری از سطح تماس متمرکز میکند و باعث افزایش تنش موضعی و تسریع سایش در چرخ و ریل میشود. یک یاتاقان دقیق، چرخ را در جای خود نگه میدارد و وزن درب را به طور مساوی در تمام عرض تماس در هر چرخه توزیع میکند.
جفت مواد و توزیع بار
The غلتکو ریل یک جفت ماده تشکیل میدهند که سازگاری آنها عمر کل سیستم کشویی را تعیین میکند. ترکیب کلاسیک در سختافزار معماری، یک غلتک فولادی سخت شده است که روی یک ریل فولادی ضد زنگ یا آلومینیومی آنودایز شده حرکت میکند. غلتک فولادی ظرفیت بار بالا و مقاومت عالی در برابر سایش را فراهم میکند. جنس ریل برای مقاومت در برابر خوردگی و سازگاری با غلتک انتخاب میشود. در سیستمهایی که برای عملکرد بیصداتر طراحی شدهاند، غلتکهای پلیمری - معمولاً استال، پلیآمید یا پلیاورتان - روی ریلهای آلومینیومی یا فولادی ضد زنگ حرکت میکنند. این غلتکهای پلیمری نرمتر از ریل هستند که عمدی است. پلیمر تحت بار کمی تغییر شکل میدهد، سطح تماس را افزایش میدهد و فشار تماس را کاهش میدهد. این همان اصلی است که به لاستیکهای لاستیکی اجازه میدهد وسایل نقلیه سنگین را در جادههای آسفالت حمل کنند. یک غلتک پلیمری همچنین ارتعاش را جذب میکند و نسبت به غلتک فولادی بیصداتر عمل میکند، که یک نکته مهم در کاربردهای مسکونی است. نکته منفی این است که غلتکهای پلیمری سریعتر از فولاد فرسوده میشوند و نیاز به تعویض دورهای دارند. با این حال، تعویض مجموعهای از غلتکهای پلیمری هر پنج تا هشت سال بسیار ارزانتر از تعویض یک ریل آلومینیومی شیاردار است.
چرا چهار چرخ، نه یکی
یک درب شیشهای کشویی معمولاً روی چهار قسمت اجرا میشود.غلتکچرخها - دو چرخ در هر یک از دو مجموعه پشت سر هم. این تکیهگاه چهار نقطهای زائد نیست. اگر یک غلتک تمام وزن درب را تحمل کند، فشار تماس چهار برابر میشود و احتمالاً از ظرفیت مواد ریل بیشتر میشود. چیدمان چهار چرخ همچنین پایداری را فراهم میکند. دربی که توسط یک غلتک در هر انتها پشتیبانی میشود، در صورت وجود هرگونه ناهمواری در ریل، مستعد تکان خوردن خواهد بود. چیدمان پشت سر هم - دو چرخ در یک خط در هر مجموعه - یک سکوی پایدار ایجاد میکند که بینظمیهای کوچک ریل را پوشش میدهد. هر چرخ میتواند کمی بالا یا پایین برود در حالی که مجموعه از طریق حداقل یک چرخ در هر انتها، تماس کلی را حفظ میکند. به همین دلیل است که یک درب کشویی میتواند حتی زمانی که ریل دارای نقصهای جزئی است یا مقادیر کمی زباله جمع شده است، به طور روان کار کند. افزونگی سیستم چهار چرخ نیز یک ویژگی ایمنی است. اگر یک چرخ گیر کند یا از کار بیفتد، سه چرخ باقی مانده میتوانند به طور موقت به پشتیبانی از درب ادامه دهند و از فروپاشی ناگهانی که میتواند پنل شیشهای را خرد کند، جلوگیری کنند.
محدودیتهای اصل غلتش
اصل غلتش که اجازه میدهد مقدار کمیغلتکحمل یک درب سنگین محدودیتهایی دارد و عبور از آنها منجر به خرابی سریع میشود. رایجترین محدودیتی که در عمل با آن مواجه میشویم، تغییر شکل ریل است. اگر بار غلتک از ظرفیت ماده ریل بیشتر شود، سطح ریل خم میشود و یک فرورفتگی ایجاد میکند. هنگامی که یک فرورفتگی ایجاد میشود، غلتک باید با هر بار عبور از آن خارج شود و حرکت غلتکی روان به یک سری ضربه تبدیل میشود. این بارهای ضربهای بسیار بیشتر از بار استاتیک هستند و میتوانند به سرعت غلتک و ریل را از بین ببرند. محدودیت دیگر آلودگی است. اصل نورد، سطوح تمیز و صاف را فرض میکند. هنگامی که ذرات زباله بزرگتر از ضخامت لایه روانکننده وارد ناحیه تماس میشوند، عمل نورد روان را مختل میکنند. ذرات سخت میتوانند سطح ریل را فرورفته کنند. ذرات نرم میتوانند جمع شوند و لایهای تشکیل دهند که غلتک باید از آن عبور کند و مقاومت را افزایش دهد. به همین دلیل است که ریلهای درب کشویی باید تمیز نگه داشته شوند و غلتکها در محیطهای گرد و غبارآلود نیاز به نگهداری مکرر دارند.
نتیجهگیری
کوچکغلتکچرخهایی که درهای شیشهای سنگین را حمل میکنند، به قدرت فوقالعاده متکی نیستند. آنها از طریق فیزیک ظریف تماس غلتشی کار میکنند که نیروهای بالای اصطکاک لغزشی را با مقاومت بسیار پایینتر غلتشی جایگزین میکند. بار متمرکز در محل تماس با انتخاب موادی با سختی کافی و با استفاده از یاتاقانهای دقیق که همترازی را حفظ میکنند، مدیریت میشود. پیکربندی چهار چرخ، بار را توزیع میکند و افزونگی را فراهم میکند. نتیجه، سیستمی است که در آن میتوان دری به وزن یک نفر را با تلاش یک انگشت جابجا کرد. غلتک، هرچند کوچک، یکی از کارآمدترین کاربردهای مکانیک کلاسیک در سختافزار معماری روزمره را نشان میدهد.
