ТРЕНИЕ В ПРИРОДЕ И ТЕХНИКЕ

КАК ПАРОВОЗ УЧИЛСЯ ХОДИТЬ

В наше время трудно представить себе поезд без рельс, по которым он идёт. Если паровоз сходит с рельс, это вы­зывает катастрофу. Рельсы и прокладывают именно для того, чтобы по ним ходили поезда. Но, оказывается, не всегда это было так. Было время, когда по «железным дорогам» — рельсам катились не вереницы вагонов, увлекаемые мощными паровозами ИС или ФД, а малень­кие вагонетки. Узкоколейные дороги, сначала деревян­ные, а потом чугунные, уже давно начали строить для от­катки угля и руды из шахт. По гладким рельсам ваго­нетки катились гораздо легче и быстрее, чем по неровной рыхлой земле, так как трение качения колёс о дерево, и тем более о чугун, очень мало. Вагонетку толкал шах­тёр или тянула лошадь. Паровозов ещё не было. «Желез­ная дорога» — рельсы появились почти на сто лет раньше, чем паровоз!

Но вот, в начале прошлого века был изобретён паро­воз, и для него быстро нашлась подходящая дорога — рельсы. Однако для чугунных рельс паровоз оказался слишкой тяжёлым — хрупкий чугун не выдерживал на­грузки и ломался; поэтому его заменили менее хрупким металлом — сталью. Но прежде чем паровоз завоевал себе прочное место в нашей жизни, его изобретателей долго мучил вопрос: каким образом паровоз пойдёт по рельсам? Ведь вагонетку толкал человек или тянула ло­шадь, а паровоз должен толкать сам себя. Более того, он должен тянуть за собой вагоны. Как же паровоз будет сам себя толкать? Паровая машина, установленная на паровозе, силой давления пара вращает его ведущие ко­лёса. Но что будет, если сила трения между этими колёсами и рельсами окажется малой? В этом случае колёса будут вращаться, проскальзывая по рельсам, как человек, пытающийся бежать по льду. Паровоз будет «буксовать» на месте и не только не потянет за собой ва­гоны, но, пожалуй, и сам себя не сдвинет. Вот это и сму­щало изобретателей.

Не доверяя трению, один из изобретателей сделал ведущие колёса паровоза зубчатыми и проложил рядом с главными рельсами специальные зубчатые рельсы для этих колёс. Ведущие колёса отталкивались от зубцов, а остальные катились по главным рельсам. На рисунке 13 показан такой паровоз. Он мор делать всего 4 километра в час и при этом то и дело ломал зубцы.

Другой инженер построил совсем странный паровоз. У этого паровоза сзади была сложная система рычагов. Поршень паровой машины приводил в движение рычаги, и они заставляли переступать по земле прикреплённые к ним чугунные колодки. Такой паровоз, а лучше ска­зать — «пароход», в буквальном смысле ходил на чу­
гунных ногах! Скорость его не превышала 5 километров в час (рис. 14).

Й только позднее решили испытать, может ли паровоз с гладкими колёсами ехать сам без зубчаток и толкачей по гладким рельсам.

Оказалось, что это вполне возможно: па­ровоз мог даже тя­нуть за собой поезд в 50 раз большего веса, чем он сам.

Чего же не учиты­вали изобретатели паровоза, когда боя­лись пустить его по гладким рельсам?

Как видно, они не представляли себе достаточно ясно, с каким видом трения они имеют дело. По­чему шахтёр может

Катить вагонетку с углём? Он упирается руками в ваго­нетку, а ногами в землю. При этом ноги его не скользят

(этому мешает сила трения покоя между подошвами и землёй), а остаются на месте. Вагонетка, стоящая на

Рельсах, тоже не может скользить — этому препятствует сила трения покоя между её колёсами и рельсами. Но зато она может катиться. Следовательно, шахтёр, толкаю­щий вагонетку, преодолевает только силу трения качения её колёс и небольшую силу трения скольжения осей ко­лёс в подшипниках. Но эти силы, обе вместе, много мень­ше силы трения скольжения колёс по рельсам. Если бы колёса вагонетки почему-либо перестали вращаться на своих осях, вагонетка смогла бы только скользить по рельсам. Чтобы её двигать, шахтёру пришлось бы давить ка неё с силой, равной силе трения скольжения. Это было бы непосильным трудом. Но если колёса могут вра­щаться, шахтёр может легко катить вагонетку.

То же самое происходит и с паровозом. Его паровая машина вращает ведущие колёса. Она вызвала бы про­скальзывание колёс по рельсам, если бы этому не пре­пятствовала сила трения покоя, направленная вперёд (рис. 15). Эта-то сила, не давая колёсам сколь­зить, и заставляет их катиться. Паровоз трогается с места.

Но что произойдёт, если паровоз привязать очень прочным стальным тросом к массивному железобетон­ному столбу, врытому в землю? Давление пара заста­вляет колёса попрежнему скользить по рельсам, а сила трения не даёт возникнуть этому скольжению. Откатиться теперь колёса не могут — паровоз удерживается тросом. Колёса в этом случае останутся неподвижными. Если поднять давление пара в цилиндрах машины настолько, чтобы стремящаяся повернуть колёса сила превысила максимальную силу трения покоя, то колёса начнут про­скальзывать по рельсам. Паровоз «забуксует» на месте.

Так бывает и тогда, когда к паровозу прицеплен чересчур тяжёлый состав. Трение качения всех вагонных колёс по рельсам и трение скольжения их осей в под­шипниках играют здесь роль троса. Значит, чтобы паро­воз мог везти состав, сила трения покоя его ведущих колёс должна быть больше общего трения качения по рельсам и скольжения в подшипниках для колёс всего состава.

Трение скольжения осей в подшипниках стараются уменьшить, тщательно обтачивая оси и смазывая под­шипники, и при хорошем состоянии подшипников оно также невелико. Поэтому силы трения покоя ведущих колёс паровоза о рельсы хватает не только на то, чтобы двигать паровоз, но и на то, чтобы тянуть за ним поезд, раз в 50 более тяжёлый, чем сам паровоз. Вспомнив про закон Кулона, читатель поймёт, что чем тяжелее состав, тем тяжелее должен быть паровоз. Сухое трение покоя— вот причина того, что паровоз умеет «ходить» по гладким рельсам, подобно тому как мы ходим по гладкому полу. Не всегда, однако, это понимали. ,

Около 100 лет назад шёл первый поезд из Петербурга в Москву по только что выстроенной Николаевской (те­перь Октябрьской) железной дороге. Один не в меру услужливый царский чиновник, желая угодить началь­ству, приказал на подведомственном ему перегоне вы­красить рельсы белой масляной краской. Но дело кон­чилось плохо для подхалима. Попав на участок со све­жевыкрашенными рельсами, колёса паровоза забуксова­ли, и поезд остановился. Случилось это потому, что из-за смазки сила трения покоя резко уменьшилась и её нехва - тило на то, чтобы тянуть поезд. Пришлось срочно соскре­бать краску на перегоне в несколько километров.