Введение

Тип движения, сочетающий перемещение и вращение относительно поверхности.

Качение — это тип движения, сочетающий вращение (обычно осесимметричного объекта) и перемещение этого объекта относительно поверхности (либо объект вращается, либо перемещается), таким образом, что при идеальных условиях они соприкасаются друг с другом без скольжения. Качение без скольжения называется чистым качением. По определению, скольжения нет, когда существует система отсчета, в которой все точки контакта на катящемся объекте имеют ту же скорость, что и соответствующие точки на поверхности, по которой он катится; в частности, в системе отсчета, где катящаяся плоскость неподвижна (см. анимацию), мгновенная скорость всех точек контакта (например, образующей линии цилиндра) катящегося объекта равна нулю. На практике, из-за небольших деформаций в области контакта, происходит некоторое скольжение и рассеяние энергии. Тем не менее, сопротивление качению значительно ниже, чем сила трения скольжения, поэтому для перемещения катящихся объектов обычно требуется меньше энергии, чем для скользящих. В результате такие объекты легче приводятся в движение, если на них действует сила с компонентой вдоль поверхности, например, сила тяжести на наклонной поверхности, ветер, толчок, тяга или крутящий момент от двигателя. В отличие от цилиндрических осесимметричных объектов, при качении конуса по плоской поверхности его центр тяжести описывает окружность, а не прямую линию. Катящиеся объекты не обязательно должны быть осесимметричными. Два известных не осесимметричных ролика — треугольник Рео и тела Мейснера. Олоид и сферикон принадлежат к особому семейству развертываемых роликов, которые разворачивают всю свою поверхность при качении по плоской плоскости. Объекты с углами, такие как игральные кости, катятся, последовательно вращаясь вокруг ребра или угла, соприкасающегося с поверхностью. Специальная конструкция поверхности позволяет даже идеальному квадратному колесу катиться, сохраняя постоянную высоту своего центра масс над опорной плоскостью.

Приложения

Большинство наземных транспортных средств используют колеса и, следовательно, перемещаются посредством качения. Скольжение необходимо минимизировать (приближая движение к чистому качению), иначе это может привести к потере управления и аварии. Это может произойти, когда дорога покрыта снегом, песком или маслом, при совершении поворота на высокой скорости или при резком торможении или ускорении. Одним из наиболее практичных применений качения является использование подшипников качения, таких как шариковые подшипники, во вращающихся устройствах. Изготовленные из металла, элементы качения обычно заключены между двумя кольцами, которые могут вращаться независимо друг от друга. В большинстве механизмов внутреннее кольцо крепится к неподвижному валу (или оси). Таким образом, пока внутреннее кольцо неподвижно, внешнее кольцо может свободно двигаться с очень небольшим трением. Это основа работы практически всех двигателей (например, в потолочных вентиляторах, автомобилях, дрелях и т.д.). В качестве альтернативы, внешнее кольцо может быть прикреплено к неподвижной опорной конструкции, позволяя внутреннему кольцу поддерживать ось и обеспечивать ее вращение. Величина трения в деталях механизма зависит от качества шариковых подшипников и количества смазки в механизме. Катящиеся объекты также часто используются в качестве инструментов для транспортировки. Один из самых простых способов – поместить (обычно плоский) предмет на ряд выровненных роликов или колес. Объект на колесах можно перемещать по ним по прямой линии, при условии непрерывной подстановки колес впереди (см. историю подшипников). Этот примитивный метод транспортировки эффективен при отсутствии другого оборудования. Сегодня наиболее практичным применением объектов на колесах являются автомобили, поезда и другие транспортные средства для перевозки людей. Качение также используется для приложения нормальных сил к движущейся линии контакта в различных процессах, например, в металлообработке, печати, производстве резины, покраске.

Жесткие корпуса

Самый простой случай качения — это качение жесткого тела без проскальзывания по плоской поверхности с осью, параллельной поверхности (или, что эквивалентно, перпендикулярной нормали к поверхности). Траектория любой точки является трохоидой; в частности, траектория любой точки на оси объекта — прямая, а траектория любой точки на ободе объекта — циклоида. Скорость любой точки в катящемся объекте задается формулой , где — смещение между частицей и точкой (или линией) контакта катящегося объекта с поверхностью, а ω — вектор угловой скорости. Таким образом, несмотря на то, что качение отличается от вращения вокруг неподвижной оси, мгновенная скорость всех частиц катящегося объекта такая же, как если бы он вращался вокруг оси, проходящей через точку контакта с той же угловой скоростью. Любая точка в катящемся объекте, находящаяся дальше от оси, чем точка контакта, будет временно двигаться в направлении, противоположном направлению общего движения, когда она находится ниже уровня катящейся поверхности (например, любая точка на фланце колеса поезда, находящаяся ниже рельса).

Деформируемые тела

Когда осесимметричное деформируемое тело контактирует с поверхностью, формируется интерфейс, через который могут передаваться нормальные и касательные силы. Например, шина, контактирующая с дорогой, воспринимает вес (нормальную нагрузку) автомобиля, а также любые касательные силы, возникающие при ускорении, торможении или управлении. Деформации и движения при равномерном качении тела могут быть эффективно описаны с использованием эйлерова описания вращения жесткого тела и лагранжева описания деформации. Такой подход значительно упрощает анализ, устраняя временную зависимость, что приводит к полям перемещений, скоростей, напряжений и деформаций, изменяющимся только в пространстве. Методы анализа для конечно-элементного анализа установившегося качения были впервые разработаны Падованом и теперь реализованы в нескольких коммерческих программных комплексах.