Earth nature field

Tarcie i opór - materiały i przyrządy.

Techniki linowe używane podczas eksploracji. Trudno się bez nich obejść. UWAGA! Informacji zawartych w tym dziale nie traktować jako kurs.
Awatar użytkownika
Kobi
Posty: 67
Rejestracja: 27 lip 2015, 18:08

Tarcie i opór - materiały i przyrządy.

Post autor: Kobi »

Na forum opisujemy przeróżne układy wyciągowe, jako nazwy stosując ich przełożenie, np. "2:1", "4:1" etc. Większość z nas jednak wie, że jest to tylko teoretyczne miara przełożenia sił i siły faktyczne (nieraz bardzo) różnią się od tych które zdają się wynikać z ww. współczynników. Powodem jest oczywiście tarcie - największy po grawitacji czynnik mający wpływ na działanie naszych układów. W tematyce linowej interesować nas będzie głównie tarcie związane z poruszaniem się liny w przyrządach, na krawędziach oraz w bloczkach. Postaram się skrobnąć kilka słów na ten temat, oczywiście nie wyczerpując tematu i pozostawiając sobie pole do jego rozwinięcia : ).

Zacznijmy może od meritum, czyli od tego co wpływa na tarcie?
bitmapa.jpg
bitmapa.jpg (21.54 KiB) Przejrzano 7468 razy
Na bohatersko wypoconym w paintcie rysunku widzimy walec i linę wokół niego wraz z ciężarem z jednej strony. Na razie nie zabieramy się za bloczki więc walec nie obraca się wokół własnej osi.
T – czyli ciężar który próbujemy podnieść
F – siła niezbędna by tego dokonać
Oraz kąt styku liny z walcem, który może się zmieniać

Mówiąc w skrócie – dwa czynniki są najważniejsze jeżeli chodzi o obliczenie siły F. Jest to KĄT styku liny z powierzchnią walca oraz coś co możemy określić mianem WSPÓŁCZYNNIKA TARCIA dla danego materiału (jako, że w domyśle jednym z materiałów zawsze będzie lina statyczna to zmienną będzie tylko współczynnik tarcia podłoża – w naszych warunkach najczęściej będzie to stal, drewno czy różne rodzaje skały). Całe zagadnienie nazywane jest z angielska „Capstan equation”. Nie jest to forum dotyczące fizyki więc niestety będziecie mi musieli uwierzyć na słowo ; ). Ewentualnie jeżeli mamy tutaj jakiś masochistów nauk ścisłych to więcej na ten temat można przeczytać chociażby pod tymi linkami:

http://en.wikipedia.org/wiki/Capstan_equation
http://pl.wikipedia.org/wiki/Wsp%C3%B3% ... nik_tarcia

Wracając do tematu – to zagadnienie jest o tyle ważne, że wyjaśnia nam jak działają nasze „narzędzia”: bloczki, prowadnice lin czy nawet niektóre węzły. Żeby uzmysłowić sobie o co chodzi zerknijmy na przykład – załóżmy, że chcemy podnieść przedmiot o wadze 200kg za pomocą liny statycznej owiniętej wokół stalowej rury. Tabela z obliczonymi teoretycznymi wynikami:
tabela1p.jpg
tabela1p.jpg (66.96 KiB) Przejrzano 7468 razy
Pierwsza kolumna to kąt styku liny z naszym stalowym walcem, w drugiej widzimy współczynnik stosunku siły F do ciężaru T a w ostatniej kolumnie widzimy skutek czyli siłę niezbędną do ruszenia pierwotnie zakładanego ciężaru. Ciężar podawany jest jako 200 kg ponieważ w oryginale tabelka związana jest z zagadnieniami ratownictwa, natomiast jeżeli ktoś chce ją sobie przełożyć na 100/80 kg czy jakąkolwiek inną sumę to wystarczy wziąć kalkulator i zerknąć do drugiej kolumny.

Jak widać, w tej tabeli zmieniamy tylko jedną z podstawowych zmiennych: kąt. Współczynnikiem tarcia zajmiemy się później, tutaj warto tylko powiedzieć, że dla zestawu „nylon – stal” wynosi on około 0.6 : ) . Łatwo zauważyć, że siła nie rośnie liniowo tylko wykładniczo, tzn., że np. podwojenie kąta nie zmienia siły dwa razy ale wielokrotnie więcej (oczywiście od pewnego momentu). Ale do czego może się nam ta wiedza przydać? Zerknijmy na jeszcze jedną tabelkę – tym razem z „odwróconymi” danymi:
tabela2i.jpg
tabela2i.jpg (60.39 KiB) Przejrzano 7468 razy
Tutaj sytuacja jest odwrotna – obliczamy jaka siła jest niezbędna by utrzymać dany ciężar w tym samym miejscu zależnie od kąta styku liny ze stalowym walcem. Liny których zwykle używamy pękną przy ciężarach około 3000 kg więc z pierwszej tabelki możemy wywnioskować, że już pierwszy pełny obrót uniemożliwi nam podciągnięcie ciężaru bez zmniejszenia kąta. Druga tabelka natomiast pozwala nam zrozumieć jaki kąt jest niezbędny by móc utrzymać dany ciężar (nadal przykładem jest 200kg) jeżeli założymy, że standardowy człowiek jest w stanie utrzymać około 20kg jedną ręką. Jak widać już przy ¾ obrotu jest to wtedy możliwe : ). Zaczyna być to przydatne np. przy węźle Tatrzańskim Zabezpieczonym, prawda? Na tych zasadach opiera się też działanie przyrządów zjazdowych, np. różne „przekładnie” ósemki czy piranii. Nawet mała zmiana kąta oznacza spore zmiany w siłach i warto o tym pamiętać – generalnie okazuje się, że od tego z czego wykonana jest rzecz o którą trze lina dużo ważniejszy jest kąt tego tarcia.

Do pełni szczęścia brakuje nam tylko trzeciej tabelki opisującej jak na razie olewany przeze mnie WSPÓŁCZYNNIK TARCIA różnych materiałów:
tabela3.jpg
tabela3.jpg (73.27 KiB) Przejrzano 7468 razy
Podsumowując raz jeszcze – nawet przy śliskich materiałach nadal kąt styku gra tutaj „pierwsze skrzypce”. W praktyce np. używając Tatrzańskiego Zabezpieczonego nie potrzebujemy nie wiadomo ilu obrotów – dwa wystarczają w zupełności. Problemem jest natomiast ponowne odwijanie tego węzła ponieważ (skoro siła rośnie wykładniczo) najczęściej jest tak, że węzeł nadal trzyma, a kiedy odwiniemy jeszcze dosłownie kawałek – nagle puszcza.

Przenieśmy teraz te wszystkie informacje na praktyczną wiedzę.

BLOCZKI

W tematach dotyczących bloczków piszemy wielokrotnie, że ich wydajność zależy od typu łożyska oraz od średnicy bloczka. O ile to pierwsze wydaje się być oczywiste o tyle w przypadku tego drugiego część osób pewnie drapie się po głowie. Wartałoby więc dowiedzieć się jak bloczek w ogóle działa, prawda ; )?

Pierwszym czynnikiem powodującym zmniejszenie sił jest zmiana materiałów które stykają się ze sobą, tworząc tarcie. W bloczku to nie lina trze o o metal ale metal o metal co zmniejsza znacznie Współczynnik Tarcia. Wyjaśnia nam to czynnik nr 1 ale co z nrem 2 czyli z wielkością bloczka?
Można powiedzieć, że bloczek działa jak rodzaj dźwigni – ruch bloczka na jego osi można przyrównać do próby przykręcania nakrętki kluczem – siła (a dokładniej – moment siły - http://pl.wikipedia.org/wiki/Moment_si%C5%82y ) jaką jesteśmy w stanie wywrzeć na nakrętkę zależy nie tylko od siły naszych rąk ale też od długości ramienia klucza, podobnie działa średnica bloczka na jego ośce. Dzięki temu wiemy dlaczego m.in. tak fajnie lata nam się na tyrolkach przy wykorzystaniu Kootenay’a ; )

PRZYRZĄDY ZJAZDOWE


Są one tak skonstruowane by wytwarzać dość spore tarcie – w typowych przyrządach zjazdowych Współczynnik Tarcia z reguły mieści się między 4 a 8, zamieniając 80-90% ciężaru na tarcie – więc zjeżdżający na STOPie eksplorator musi trzymać linę z siłą około 10-20 kg. Oczywiście działa to też w drugą stronę i tak, nawet jeżeli przeciągamy linę przez przyrząd zjazdowy w odwrotną stronę to nadal ma on współczynnik tarcia PRZYNAJMNIEJ 2! Problem w tym, że wiele osób nie zna tych faktów i używa STOPów, GriGri itd. np. jako „autoblokery” w układach wyciągowych czy przy naciąganiu tyrolek. Czyli budujemy cały układ wyciągowy, dajmy na to 4:1 tylko po to by w jednym z jego miejsc zamontować przyrząd który eliminuje nam cały zysk pochodzący z przełożenia bo nie chce nam się zamontować francuza z taśmy. Głupie? Głupie!

W drugą stronę przesadził (znany mi z opowieści, nie wiem na ile prawdziwych) łojant jaskiniowy który w zamierzchłych czasach chcąc przyoszczędzić stwierdził, że zamiast kupować SIMPLE zrobi sobie taki przyrząd. Problem tylko, że założył, że rolki w przyrządzie są ruchome i takie też skonstruował po czym wpiął się w linę i śmignął podobno w dół tak jak każdy z nas by śmignął gdyby wpiął linę w dwa bloczki CAMPA i ruszył za próg : ).

PROWADNICE LIN

Czyli np. Petzl’owskie P49 : ).
roll.jpg
roll.jpg (10.71 KiB) Przejrzano 7468 razy
Przyczepimy się tutaj głównie do tych „rollerów” które nie „rollują” czyli mających nieruchome elementy na których opiera się lina – producent liczy, że zmiana materiału o który trze lina (np. ze skały krawędzi szybu na stal w prowadnicy z nieruchomymi prowadnicami) znacząco zmniejszy siły niezbędne do podniesienia ciężaru ale my wiemy już, że jest to, delikatnie mówiąc, zmiana nieznaczna :D
Zerknijmy na powrót na naszą tabelkę – WT wymuskanej galwanizowanej stali takiej prowadnicy to 0.6…Ale porównując do innych „naturalnych” materiałów okazuje się, że zmiana jest niewielka (np. piaskowiec – 0.7) ! Oczywiście urządzenie nadal świetnie zabezpiecza nam linę przed przetarciem ale nie ma sensu nawet udawać, że redukuje nam ono jakoś znacząco tarcie. Nieco lepiej sprawują się „rollery” o ruchomych prowadnicach tym niemniej – zwykle mają one małą średnicę a jak czytamy wyżej – jest to dość ważny czynnik.

A teraz to co może nam się przydać najbardziej czyli

WARTOŚCI TARCIA DLA PRZYRZĄDÓW I KRAWĘDZI


Obliczone przez twórców LOAL, w praktyce mogą się wahać do 20% od podanych tutaj zależnie od warunków, ciężaru etc. Zmierzone na suchej linie statycznej 11mm:
tabela4e.jpg
tabela4e.jpg (128.73 KiB) Przejrzano 7468 razy
Spostrzegawczy zauważą, że współczynniki dla podnoszenia i opuszczania nie są zamienne – wynika to z tego, że w praktyce aby coś podnieść musimy przyłożyć nieco więcej siły niż ta po drugiej stronie urządzenia/krawędzi (by ładunek „ruszył” z miejsca) co powoduje większy nacisk na linę i jej większe spłaszczenie (= nieco większa powierzchnia kontaktu) – we wcześniejszych obliczeniach ten fakt został pominięty (dlatego przed pierwszą tabelką napisałem „teoretyczne” ; ) ). Oczywiście jak zawsze w kwestiach linowych praktyka jest „nieco” bardziej skomplikowana niż teoria.

Warto zwrócić uwagę tutaj na współczynniki dla przyrządów takich jak STOP, Grigri czy ID. Zwłaszcza wykorzystanie STOPa generuje nam niesamowite siły po przeciwnej stronie liny :/ (850 kg dla 200 kg ładunku!). Wyobraźmy sobie, że chcemy podnieść ciężar 200kg z dna szybu za pomocą właśnie STOPa przymocowanego do kotwy przy stropie – dzięki tej tabelce widzimy, że podsumowując siły działające po obu stronach liny działamy na punkt siłą PONAD TONY. Możemy nieco zmniejszyć współczynnik wpinając STOPa w inny sposób (tylko w krzywkę, z pominięciem drugiej rolki ) uzyskując w ten sposób 3.25 i 650 kg (czyli nadal dużo za dużo).

Inna kwestia, niby oczywista – bloczki też mają swój opór ; ). Dlatego tak jak pisałem na początku – nazwy „2:1”, „4:1” to tylko teoria, prawdziwy stosunek sił jest inny (na naszą niekorzyść oczywiście), co więcej – często bywa tak, że dwa różne systemy o tej samej teoretycznej przekładni (np. „3:1” ) mają w praktyce inną wydajność (zależnie od ilości zastosowanych bloczków, ich rozmiaru czy nawet kolejności ich wykorzystania w układach). Ale to już inna bajka : )


Art. jest głównie tłumaczeniem nieocenionego LOAL + inne źródła dot. technik linowych + moje uwagi

Kobi
Awatar użytkownika
Rossomak
Posty: 204
Rejestracja: 07 lut 2018, 15:16

Tarcie i opór - materiały i przyrządy.

Post autor: Rossomak »

A tutaj mam kawałek o tarciu na przykładzie wybranych przyrządów:
1.Tube
2. Drabinka
3. Ósemka (duża, Konga)
Na rysunkach ładnie widać to o czym pisał Kobi:
f_1f1cckptijsm_a84e5a8.jpg
f_1f1cckptijsm_a84e5a8.jpg (65.81 KiB) Przejrzano 7466 razy
Rossomak z sztolniefora.pl -ten sam ale inny!
ODPOWIEDZ

Wróć do „Techniki linowe”