Что прилипает ко льду

Говорят, что нешипованные шины «прилипают» ко льду, но как? Изучаем их резиновую смесь

Каждую осень в сети вновь и вновь вспыхивают холивары: что же на самом деле лучше, «липучки» или «шипучки», в смысле, фрикционные зимние шины или шипованные? У обоих типов зимних шин есть несомненные достоинства и столь же несомненные недостатки. Но конструкторы упорно пытаются сделать выбор еще сложнее, шаг за шагом подтягивая параметры этих двух типов друг к другу.

Как ни странно, первые серийные зимние шины были именно нешипованными: в 1933-1934 годах французская марка Michelin, а затем и финская Suomen Gummitehdas Oy начали производство покрышек с выступающими блоками протектора, специально предназначенных для покрытых снегом дорог. Но называть эти модели «зимними шинами современного типа» все же не стоит, потому что до идеи ламелей и интенсивно рассеченного протектора их создатели еще не дошли. Зимним шинам еще предстоял долгий путь развития… В 60-70 годах прошлого века разработчики вернулись к идее оснащения зимних шин шипами. Почему вернулись? Да потому что еще в начале века было немало экспериментов по оснащению автомобильных колес шипами. Другое дело, что колеса грузовых автомобилей в то время оснащались литыми шинами, так что вкрутить в них металлические шипы было относительно несложно (чем и воспользовались, например, братья Шеннон из США). Но чтобы снабдить «железными когтями» покрышки пневматических шин, включая бескамерные, нужно было изобрести шип современного типа – этакий металлический грибок с твердосплавным сердечником, «шляпка» которого утоплена в резиновое тело протектора. На какое-то время создалось впечатление, что проблема решена окончательно и бесповоротно, а «шипованные» и «зимние» шины стали синонимами. Но очень быстро выяснилось, что шипы наносят огромный вред дорожному полотну, и с 1975 года начался лавинообразный процесс запрета на использование шипов. В настоящее время этот запрет действует во многих странах, в том числе и в тех, где есть привычная нам настоящая зима, с морозами и обильными снегопадами..

Но если нельзя использовать сталь, значит, нужно заставить протектор работать эффективней. А что для этого нужно сделать? Сделать нарезку блоков протектора мельче, чтобы появилось множество острых граней, цепляющихся за мельчайшие неровности. А такие неровности есть всегда, в том числе и на поверхности льда или укатанного снега!

В итоге современные фрикционные шины, в особенности шины «скандинавского» или «арктического» типа отличаются очень высокой плотностью нарезки протектора (мы рассказывали об этом довольно подробно). И тут стоит отметить, что японские шинники накопили в области разработки фрикционных зимних шин ничуть не меньший опыт, чем компании из Финляндии, Швеции и других европейских стран. А что им остается делать? Зима на Хоккайдо вполне серьезная, при этом использование шипов в Японии запрещено законом. Так что изучать методы, которыми конструкторы заставляют шины «прилипать» к скользкой поверхности, мы будем на примере относительно новых для нашего рынка шин Toyo Observe GSI-6. Они были представлены в 2019 и поступили в шинные центры в прошлом, 2020 году, так что могут считаться «новейшими». Об особенностях их конструкции мы уже писали, но в данном случае не грех и повториться…

Фрикционные зимние шины могут иметь самый разный тип рисунка протектора: направленный и ненаправленный, симметричный и асимметричный… Observe GSI-6 имеют симметричный направленный рисунок протектора. От множества других шин подобного типа эту модель отличает наличие центрального ребра со множеством зазубренных стреловидных выступов.

Вдоль всего ребра проходит прорезь в виде «следа качающегося маятника», а в поперечном направлении его рассекают многочисленные прямые и зубчатые канавки, ни одна из которых не пересекает ребро насквозь и не соединяется с продольной зигзагообразной канавкой. Такое решение должно сохранить высокую плотность ребра, улучшить реакции автомобиля на руление и его разгонно-тормозную динамику.

Но ламели Observe GSI-6 – это не просто вертикальные прорези. Ламели имеют сложную трехмерную структуру и содержат волнообразные взаимопроникающие элементы, ограничивающие их взаимную подвижность. Кроме того, под нагрузкой ламели сложной пространственной формы начинают работать как микронасосы, обеспечивая эффективный отвод воды из пятна контакта.

Блоки протектора в плечевой зоне сделаны сдвоенными (это уменьшает взаимное смещение блоков и улучшает поведение шины в поворотах), а в разделяющих их канавках есть треугольные элементы, получившие название «снежные когти». Они не только улучшают сцепление шин со снежным покрытием, но и работают, как контрфорсы крепостных стен, которые не дают блокам смещаться под нагрузкой. Внешние блоки имеют очень высокую плотность ламелизации, причем помимо привычных волнообразных ламелей в каждом блоке двух внутренних рядов размещены ламели, закрученные в спираль (или, если угодно, в пятиугольный «коловрат»). Именно они отвечают за сохранение высокого сцепления при любом векторе нагрузки и при любом угле поворота колес. Вокруг этих канавок расположены «пентагоны» бороздок, главное предназначение которых – начать работать буквально с первых метров обкатки только что установленной шины. В соответствии с этим предназначением эти бороздки получили собственное наименование First Edge.

Но все эти ухищрения создателей нешипованных зимних шин прекрасно работают в снегу, на заснеженном асфальте или в той снежно-водяной каше, которая покрывает в зимний период улицы наших городов. Собственно говоря, в этих условиях фрикционные шины, как правило, превосходят своих шипованных конкурентов. Но вот на чистом гладком льду и ламели, и зазубренные кромки блоков оказываются бессильны – твердость даже жесткой резины оказывается недостаточной для того, чтобы кромки резиновых блоков могли врезаться в лед и предотвращать неконтролируемое скольжение. Тут нужны шипы, но что делать, если использовать их запрещено? Ну или что делать тем автовладельцам, которые в основном передвигаются в условиях, когда использование фрикционных шин выгодней (тем более, что они существенно превосходят шипованные с точки зрения акустического и ездового комфорта), но чистый лед и снежный накат на их пути всё же иногда встречается? Выход может быть только один: нужно что-то сделать с составом резиновой смеси, причем таким образом, чтобы резко увеличить сцепление с гладкой поверхностью льда или снежного наката.

Стоит вспомнить, что состав резиновой смеси зимних шин и летних шин имеет массу серьезных отличий. Изначально в состав шинной резины входили каучуки (естественный и синтетический), сера и цинк, которые сшивали полимерные цепочки каучуков в сложные структуры и превращали каучуковое «тесто» в упругую и плотную резину, и технический углерод (или попросту сажа), который придает шинам прочность и всем знакомый черный цвет. По мере развития технологий состав шинного компаунда становился все сложнее: так, на рубеже 21 века шинники начали активно добавлять в состав смеси второй наполнитель, так называемую «силику», то есть восстановленную кремниевую кислоту. Её применение позволило снизить сопротивление качению, а заодно улучшить сцепление шин с поверхностью дороги, в частности – мокрой.

Однако проблема состояла в том, что шина не может быть слишком мягкой – она будет слишком быстро изнашиваться. Но она не может быть и слишком твердой, ведь чем выше твердость, тем меньше коэффициент сцепления! В то же время жесткость резиновой смеси очень сильно зависит от температуры. Летние шины рассчитаны на эксплуатацию при положительных температурах, и уже при нуле градусов Цельсия они становятся «дубовыми». Чтобы зимние шины сохраняли эластичность, потребовалось ввести в состав смеси другие вещества, в частности – масла.

Для того чтобы все входящие в состав резиновой смеси компоненты работали согласованно, а готовая шина выдавала заданные параметры, пришлось заняться изучением взаимодействия между веществами на молекулярном уровне. Именно так родилась запатентованная компанией Toyo Tires технология Nano Balance, которая позволила взглянуть на обычные физические процессы с точки зрения химии, уменьшить внутреннее трение между компонентами резиновой смеси за счет стимуляции дисперсии и внедрить высокоточное регулирование соотношения компонентов в смеси. Тем не менее эта технология сама по себе все же не может решить проблему сцепления поверхности блоков протектора нешипованных зимних шин с гладким льдом…

Ведущие производители шин долго искали свои подходы к решению этого вопроса. Еще в 80-х годах прошлого века компания Dunlop (с которой и началась история пневматических шин еще в XIX веке) попробовала ввести в состав смеси тонкую металлическую проволоку, причем таким образом, чтобы поверхность резины стала напоминать своеобразную щетку. Изготовленным по такой технологии шинам было присвоено амбициозное название Winter Winner («Победитель зимы»), однако сколь-нибудь широкого распространения эта технология все же не получила. По-видимому, проволока в резине, улучшая сцепление со льдом, серьезно ухудшила другие параметры.

Тем не менее идея ввести в состав резины какие-то твердые частицы, своеобразные микроскопические коготки, которыми не имеющая шипов шина все-таки могла бы цепляться за гладкий лед, не умерла и получила свое развитие. Так, один из ведущих мировых брендов предлагает шины, в состав смеси которых входят вкрапления менее плотных полимеров. По мере износа эти полимеры образуют микронеровности, которые эффективно абсорбируют водяную пленку на льду и создают дополнительные кромки, цепляющиеся за снег.

Другая компания, известная в первую очередь своими зимними шинами, предложила добавлять в резиновую смесь твердые частицы, по форме напоминающие многогранные кристаллы. Именно эти частицы, получившие фирменное название Cryo Crystal, работают как микроскопические встроенные шипы, причем с каждым новым километром пробега эти кристаллы, распределенные в толще протектора, выходят на поверхность и даже несколько повышают сцепление с гладкими поверхностями. В компании уверяют, что кристаллы эти «экологически безопасны», но их химический состав держится в строжайшей тайне, не меньшей, чем коды управления американскими разведывательными спутниками.

Источник

Почему лед прилипает к пальцам?

Когда-нибудь наклонялся, чтобы поднять упавший кубик льда, а он прилипал к руке? Это явление, которое не имеет большого смысла на первый взгляд, так как температура нашего тела намного теплее, чем кубики льда. Тем не менее, почему это происходит не со всеми кубиками льда?

Есть несколько факторов, которые определяют, оставит ли столкновение со льдом человека совершенно невредимым по сравнению с тем, как выглядит второе пришествие “замороженного” персонажа, Эльзы.

Во-первых, температура кубика льда. Хотя вода замерзает при 0 градусов по Цельсию, лед может на самом деле достичь температуры намного холоднее, чем это. Таким образом, чем он холоднее, тем больше вероятность того, что он прилипнет к коже при контакте. Чем он “теплее” (или теплее для льда, во всяком случае), тем меньше вероятность того, что он прилипнет.

Другой переменной в игре является уровень влажности кожи. Даже если вы не только что вымыли руки, ваша кожа, вероятно, имеет немного естественной влаги, в виде пота. Таким образом, когда холодный лед вступает в контакт, он заставляет указанную влагу замерзать и таким образом прилипать к коже. В основном атомы кислорода и водорода в молекулах воды во льду хотят связать с атомами водорода и кислорода в поте на вашей руке. А атомы водорода образуют прочные связи!

Интересный факт!

Все знают, что вода замерзает в лед, но как? На самом деле все начинается с простой частицы пыли. Когда вода достигает температуры замерзания, вокруг таких частиц пыли образуются кристаллы льда. Если нет частиц пыли, то лед не образуется, пока вода не станет еще холоднее. На самом деле, исследования показали, что вода может опуститься до минус 40 градусов по Цельсию, но не превратится в лед, если пыль отсутствует!

Источник

Почему лёд прилипает к рукам?

Вы когда-нибудь брали кубик льда в руки? Наверняка, да. Хотя занятие это, конечно, бессмысленное, поскольку температура нашего тела намного выше, чем у льда. Лёд однако, прежде чем начать таять, прилипнет к нашей руке.

Почему это происходит?

Во-первых, температура ледяного кубика . Хотя вода замерзает при температуре 0 градусов по Цельсию, лед может достигать и гораздо более холодных температур. Таким образом, чем он холоднее, тем больше вероятность прилипания к коже. Соответственно, чем лёд «теплее», тем ниже вероятность его залипания.

Во-вторых, уровень влажности кожи . Даже если вы не только что вымыли руки, ваша кожа, вероятно, содержит немного естественной влаги в виде пота. Таким образом, когда холодный лед касается руки, он вызывает замерзание влаги и прилипает к коже.

Но. какая бы ни была причина залипания кубика на коже, через несколько секунд он всё равно упадёт, потому что естественная температура тела заставит его таять. Если кубик слишком липкий и упрямый, просто налейте на него немного теплой воды:)

Это интересно!

Вода замерзает, но как? На самом деле все начинается с простой частицы пыли . Когда вода достигает температуры замерзания, вокруг таких частиц пыли образуются ледяные кристаллы. Если нет никаких частиц пыли, то лед не будет образовываться, пока вода не станет еще холоднее. Фактически, исследования показали, что вода может опускаться примерно до минус 40 градусов по Цельсию, но не превратится в лед, если пыль отсутствует!

Источник

Опыты для детей: ледяная рыбалка

Малыши знают, что на удочку можно ловить рыбу. Они это видели в жизни (возможно, папа или дедушка увлекаются рыбалкой) или в мультфильмах. Настал черед не совсем обычного опыта для детей – ледяной рыбалки!

Напомните ребенку, что лед – это твердое состояние воды. Зимой он повсюду: на прудах в парке, на ветвях деревьев, на асфальте. Но сегодня нам понадобится не природный лед в естественной среде, а тот, который можно «наморозить» в холодильнике. Наш главный помощник в сегодняшнем опыте – морозильная камера. Чем не повод вспомнить историю ее появления в хозяйственной жизни человека?

Способность льда накапливать холод люди давно научились использовать в практических целях. Еще в древние времена они устраивали искусственные ледники для хранения скоропортящихся продуктов. Это был деревянный сруб, врытый в землю и накрытый толстым слоем земли и дерна. Получившееся подземное помещение зимой наполняли льдом, который не таял даже летом. А теперь пора приступить к эксперименту. Расходов никаких, а результат занятный.

Опыт для детей: ледяная рыбалка

1. Накануне вечером налить воду в форму для кубиков льда. Можно окрасить ее в разные цвета при помощи гуаши – малышу так будет интереснее! Поставить в морозилку. На другое утро получатся красивые яркие кубики. Их надо заранее выложить на блюдце – десяти штук вполне хватит для всех манипуляций.

Рисунок Ирины Дедушевой.

2. Намочить ниточку. Достать первый кубик из холодильника. Как можно скорее, пока лед совершенно сухой и не начал подтаивать, прикоснуться к нему ниткой и подержать ее на льдинке 30 секунд. Она примерзнет, и льдинку можно будет поднять за нитку наподобие того, как рыбак вытаскивает рыбку из воды.

Рисунок Ирины Дедушевой.

3. Точно так же можно попробовать «ловить» один кусочек льда на другой. Надо только прижать их друг к другу на полминуты – и они примерзнут один к другому. Можно предложить малышу построить такую пирамиду из кубиков льда. А потом придумать ей название – например, замок Снежной королевы или база инопланетян на Северном полюсе.

Рисунок Ирины Дедушевой.

Объяснение эксперимента для детей

Что происходит? Сначала ниточка прилипает ко льду, потому что он очень холодный. На его поверхности температура ниже 0 градусов. И вода на мокрой нитке от соприкосновения со льдом тоже замерзает, «приклеиваясь» к кусочку льда. Главное условие, чтобы лед был сухой. Как только он чуть подтает, то покроется тоненькой пленкой воды, из-за чего нитка не примерзнет.

Источник фото: Depositphotos, рисунки Ирины Дедушевой

Можно устроить малышу небольшое путешествие в прошлое. Тогда, когда не было мобильных телефонов и интернета. По понятиям современных детей, это каменный век. Хотя на самом деле всего 30–50 лет назад. Самое время устроить.

Можно ли организовать атмосферное явление прямо дома? Запросто! Например, веселый дождик. Это простой и наглядный опыт для детей, объясняющий обычные климатические явления. А малышу будет интересно ощутить себя властелин.

Пока зима не закончилась, стоит попытаться вместе с малышом создать сверкающее чудо. Сегодня мы сделаем опыт с ребенком и одновременно «прокачаем» у него чувство прекрасного и понимание зимних физических явлений. .

Источник