О существовании сил притяжения между молекулами

• Участник: Черных Наталья Ивановна
• Руководитель: Трубеко Фаина Ивановна  

Цель эксперимента — доказать существование между молекулами сил взаимного притяжения и их зависимость от расстояния между ними.

Опыт I. Опыт со свинцовыми цилиндрами

А.В. Перышкин. Физика 7, стр 30.

Техника безопасности	Нижний цилиндр подвесить к штативу на прочной нити, чтобы в случае отрыва от верхнего не поранить руку.
Цель эксперимента	Доказать существование между молекулами сил взаимного притяжения и их зависимость от расстояния между ними.
Гипотеза:	Взаимное притяжение между молекулами проявляется при малых расстояниях между ними, сравнимых с размерами самих молекул.
Оборудование:		Фото
Свинцовые цилиндры со стругом; Штатив; Набор грузов
Описание опыта	Результаты опыта		Объяснение
Опыт 1. Два свинцовых цилиндра вплотную прижимаем друг к другу торцами.	Цилиндры не сцепляются вместе.		Между молекулами существуют силы притяжения. Они становятся заметными только на расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул. В опыте 1 не удалось сблизить молекулы на малое расстояние, чтобы притяжения между ними были заметны. Опыты 2 и 3 показывают, что сила притяжения между молекулами заметны при малых расстояниях между ними и они достаточно большие.
Опыт 2. а) С помощью струга зачищаем и выравниваем торцы двух свинцовых цилиндров. б). Большим усилием прижимаем цилиндры друг к другу свежими срезами.	Цилиндры сцепляются вместе.
Опыт 3. а) За верхний крючок подвесим верхний цилиндр к штативу. б) К нижнему цилиндру привязываем прочную нить в целях безопасности. в) К крючку нижнего цилиндра подвешиваем грузики.	Сцепление цилиндров такое, что цилиндры не удается оторвать друг от друга даже при достаточной нагрузке.

Опыт 2. Подъём тарелки мылом

(А.Е. Марон, Е.А. Марон, С. В. Позойский Сборник вопросов и задач Физика 7-9)

ЗАДАЧА №72

Техника безопасности		Осторожность при работе с жидкостью, водой.
Цель эксперимента		Доказать существование сил притяжения между молекулами воды
Гипотеза:		На простом физическом опыте можно доказать существование притяжения между молекулами воды, продемонстрировать явление смачивания
Оборудование:		Фото
листочки бумаги -2 шт. стакан с водой
Описание опыта	Результаты опыта		Объяснение
Сухие листочки бумаги кладем друг на друга.	Листочки бумаги не прилипают друг к другу		Листочки бумаги имеют шероховатую поверхность, поэтому слабо проявляются силы молекулярного притяжения.
На сухой листочек кладем мокрый листочек бумаги.	Листочки бумаги прилипают друг к другу		Листочки бумаги смачиваются водой. Молеку­лы воды приблизятся к молекулам бумаги настолько, что межмолекулярное притяжение уже будет удерживать листы друг возле друга

Опыт 3.

(А.Е. Марон, Е.А. Марон, С. В. Позойский Сборник вопросов и задач Физика 7-9)

ЗАДАЧА №73

Техника безопасности		Беречь глаза от попадания мыла.
Цель эксперимента		Доказать существование сил притяжения между молекулами воды
Гипотеза:		На простом физическом опыте можно доказать существование притяжения между молекулами воды, продемонстрировать явление смачивания
Оборудование:		Фото
листочки бумаги -2 шт. стакан с водой
Описание опыта	Результаты опыта		Объяснение
Прижимаем сухое мыло к сухой поверхности тарелки.	Кусок мыла легко отрывается от тарелки, тарелка остается на столе.		Взаимодействие молекул тарелка и мыла было незначительном, так как не удалось сблизить молекулы на малое расстояние. Между тарелкой и куском мыла образовалась мыльная пена, молекулы которой максимально сблизились с молекулами тарелки, и между ними возникло взаимное притяжение, т.е. тарелка и кусок мыла «склеились».
Наливаем на тарелку воду и сразу сольем. К влажной поверхности тарелки прижимаем кусок мыла, повернем мыло несколько раз и поднимаем вверх.	Тарелка вместе с мылом отрывается от поверхности стола.
Применение рассматриваемого явления на практике.	Притяжение между молекулами на практике для человека может быть полезным и вредным. Полезное: Пайка, склеивание, сварка. Вредное: При складывании между полированными стеклами кладут листочки бумаги. Смачивание:«Нановорсистые» покрытия, гидрофильные и гидрофобные материалы.
Природные явления	Смачивание:Эффект лотоса – эффект крайне низкой смачиваемости поверхности, который можно наблюдать на листьях и лепестках некоторых растений. Несмачиваемость крыльев насекомых. Если крылья насекомых будут смачиваться, насекомые потеряют способность к полету. Гидрофильные и гидрофобные покрытия в животном и растительном мире.
Интересные факты в рассматриваемом явлении	Поставить опыты: Смочите два листочка бумаги: один – водой, другой – растительным маслом. Слипнутся ли они? Ответ обоснуйте. Оба листочка бумаги смочить маслом и повторить опыт. Проверить разные вещества на смачиваемость: металл и вода, парафин и вода, стекло и вода, жир и парафин и др. Поставить опыты подтверждающие существование сил отталкивания. Решение задач: Почему водоплавающие птицы имеют непромокаемое оперение, а курица, промокшая под дождем, имеет жалкий вид? Почему жировые пятна на одежде не удаётся смыть водой? Почему на классной доске пишут мелом, а не куском белого мрамора? Что можно сказать о взаимодействии между частицами этих веществ? Почему частицы мела не отпадают от поверхности доски.

Презентация и конспект урока по физике «Взаимодействие молекул» (7 класс)

Ó Сивченко Е.И., учитель физики МБОУ СОШ № 5 г. Светлого

7 класс. Раздел 2. Урок 4. Взаимодействие молекул.

7 класс

Раздел 2. Первоначальные сведения о строении вещества.

Урок 4. Взаимодействие молекул.

— формировать понятие о взаимодействии молекул;

— в целях развития научного мировоззрения учащихся показать роль физического эксперимента и наблюдений в физике;

— развивать умения наблюдать, сравнивать, сопоставлять и обобщать результаты экспериментов,

— определить место и значение явления смачивания в жизни живой и неживой природы,

— формировать познавательный интерес к предмету.

Оборудование:

1. Презентация «7кл Взаимодействие молекул».

2. Кусок мела, стеклянная палочка.

3. Опыт по сцеплению свинцовых цилиндров,

4. Опыт по взаимодействию стеклянной пластины с водой.

5. Лабораторное оборудование: кусок резинки, кусочки пластилина, ластики, шприц, стакан с водой, пипетка , 2 полоски бумаги.

Ход урока

I. Повторение.

Слайд 2.

Слайд 3.

• Что такое диффузия? Объясните процесс протекания диффузии в жидкостях.

• Почему не рекомендуется мокрую ткань, окрашенную в темный цвет, оставлять на длительное время в соприкосновении с белой тканью? Объясните происходящее явление.

Слайд 4.

• Если рассматривать в микроскоп каплю сильно разбавленного молока, то можно видеть, что плавающие в жидкости мелкие капли масла непрерывно движутся. Объясните это явление.

II. Постановка учебной задачи.

Действительно, молекулы малы, между ними есть промежутки. Молекулы непрерывно и беспорядочно движутся.

Проблема: почему твердые тела, состоящие из отдельных частиц, между которыми есть промежутки, которые находятся в непрерывном движении, не распадаются на отдельные молекулы? Более того, если попытаться разрушить твердое тело, например, сломать кусочек мела, стеклянную палочку, то для этого необходимо приложить достаточное усилие? Демонстрация 1.

Ваши предположения? (Между молекулами существует притяжение).

Как в физике доказывают выдвинутую гипотезу? (Проводят опыты).

Сформулируйте задачу урока. Задача урока: найти опытное доказательство существования взаимодействия молекул.

III. Новый материал.

1. Притяжение молекул.

Слайд 5.

Проверим гипотезу о существовании взаимного притяжения молекул.

Опыт 1.

• Попробуйте растянуть кусочек резины. Что наблюдаете? Что подтверждает этот факт?

• Попробуйте разорвать кусочек пластилина на две части.

Удалось ли это сделать без усилий? Что подтверждает этот факт?

Теперь соедините части, плотно прижав друг к другу. Почему части удерживаются друг возле друга?

Почему мне не удается сделать тоже самое с кусочками стекла, мела? Почему не «срабатывает» притяжение молекул?

Щелчок по сладу 5.

Объяснение учителя:

Каждая молекула притягивает к себе все соседние молекулы и сама притягивается к ним. Посмотрите на изломе у кусочков мела — неровности, поэтому сблизить кусочки на очень малое расстояние не удается. Притяжение между молекулами заметно проявляется только на очень малых расстояниях, если удастся сблизить молекулы очень близко.

Щелчок по кнопке «Сближение».

На сколько близко?

Если молекулы удается сблизить на такое расстояние, приблизительно такое, что между ними можно было разместить всего лишь еще одну подобную по размеру молекулу. Именно при таком расстоянии взаимное притяжение будет проявляться. Повторный щелчок по кнопке «Сближение».

Заметить притяжение между двумя молекулами невозможно. Когда же притягиваются многие миллионы таких частиц, взаимное притяжение становится заметным.

При соединении кусочков стекла, мела на расстояниях, достаточных для проявления сил межмолекулярного притяжения, оказывается лишь ничтожно малое число молекул. А при соединении кусочков мягкого пластилина таких молекул оказывается много и кусочки удерживаются силами межмолекулярного притяжения.

Вопрос: одинаковое ли усилие необходимо приложить, чтобы разломать кусочек мела и стекла? Почему? (У разных веществ неодинаковая сила притяжения между молекулами, поэтому разная прочность).

Демонстрация 2. Сцепление свинцовых цилиндров. (Или демонстрация видео по гиперссылке на скрытый слайд 6).

Для проверки выдвинутой гипотезы проведем опыт со свинцовыми цилиндрами. Попробуем прижать свинцовые цилиндры торцами. Соединить их не удается. Сделаем свежие срезы на торцах цилиндров, чтобы их поверхности стали как можно более ровными, и плотно прижмем их друг к другу. Цилиндры сцепляются.

Мы привели достаточно опытных доказательств и можно сделать вывод.

Слайд 7. Вывод: Между молекулами существует взаимное притяжение, которое проявляется на расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул.

2. Отталкивание молекул.

Опыт 2.

Проблема: попытаемся выяснить, почему, несмотря на притяжение, между молекулами имеются промежутки и они не слипаются? (Слайд 8).

• Попытайтесь сжать ластик. Что наблюдаете?

• Выдвиньте поршень шприца на самое большое расстояние, закройте плотно пальцем отверстие и попытайтесь быстро уменьшить расстояние между молекулами, сжав воздух в шприце. Что наблюдаете?

Ваши предположения? (между молекулами существует отталкивание).

На каком расстоянии заметно проявляются силы отталкивания? (щелчок на сближение).

Мы доказали, что между молекулами существует взаимное отталкивание (щелчок).

Вывод: между молекулами существует взаимное отталкивание, которое проявляется на очень малых расстояниях (щелчок).

3. Подведение промежуточных итогов.

Слайд 9. Что мы узнали сегодня на уроке о взаимодействии молекул? (Щелчок).

Между молекулами существует взаимное притяжение и отталкивание, которое проявляется на очень малых расстояниях. (Запись в тетрадях).

Анимация удаление и сближение (щелчок на кнопки «сближение», «удаление»).

4. Применение.

Слайд 10. Соединение кусков металла при сварке, пайке, склеивании материалов основано на притяжении молекул.

Решение задач:

№ 1. Что есть общего между склеиванием бумаги и паянием металлических изделий?

№ 2. Чем отличается сварка металлических деталей от паяния металлических изделий?

№ 3. Почему на классной доске пишут мелом, а не куском белого мрамора? Что можно сказать о взаимодействии этих частиц?

5. Проявление в природе.

Слайд 11. Взаимодействием молекул объясняются явления смачивания и несмачивания, капиллярности.

Демонстрация 3. Сцепление стеклянной пластины с водой.

Подвесим на резинке стеклянную пластину, коснемся воды и попробуем ее оторвать от ее поверхности. Что наблюдаете. Как это объяснить? (Преодолевается притяжение между молекулами воды и стекла).

Обратите внимание, после отрыва на стекле остались капли воды. Как это объяснить? (Притяжение между молекулами воды и стекла сильнее, чем между молекулами воды друг с другом. Такое явление называется смачиванием. Когда проявляется несмачивание, то молекулы жидкости сильнее притягиваются друг к другу, чем к твердому телу.).

Слайд 11. Явление смачивания-несмачивания часто встречается в природе и быту. Например, водоплавающие птицы смазывают перья жиром, выделяющимся из специальных желез (внутренних органов птицы). Вода не смачивает жир и, поэтому, перья остаются сухими даже при нырянии (пословица «как с гуся вода»). Благодаря явлению смачивания мы можем вытираться полотенцами, мыть посуду, стирать белье. Благодаря явлению несмачивания мы можем ходить под зонтами и в плащах, не промокающих под дождем.

С явлением смачивания-несмачивания очень тесно связано явление капиллярности. Если тонкую стеклянную трубку опустить в чашу с водой, то внутри трубки вода поднимется на некоторую высоту. Это явление подъема или опускания уровня жидкости в тонких трубках по сравнению с уровнем жидкости в широком сосуде называется явлением капиллярности, а трубки для наблюдения этого явления – капиллярами (греч. «капиллус» – волос).

IV. Закрепление.

1. Подведение итогов.

– Что вы узнали сегодня на уроке.

– Какие выводы можно сделать?

V. Домашнее задание:

§ 10 –выучить, упр. 2 – устно.

Внеклассная работа «Объясни физическое явление»

Школа «Премьер»

Вечер классических физических опытов

«Объясни наблюдаемое физическое явление»

Автор Никифорова Т.А. – преподаватель физики

Объясни наблюдаемое физическое явление

Физический эксперимент представляет собой иллюстрацию тех или иных явлений и закономерностей, он служит источником знаний, доказательством справедливости различных теоретических положений, развивает умения и навыки обучающихся. Даже простые эксперименты вызывают интерес, но объяснить наблюдаемое явление студенты часто. Кроме того, к нам приходят учащиеся из разных школ и некоторые из них ни разу не видели даже простых экспериментов. Именно поэтому мы решили провести вечер классических физических опытов с тем, чтобы повторить и проверить знания учащихся. Часть опытов учащиеся будут проводить сами, а часть проводит учитель, когда эксперимент сложен. После каждого эксперимента учащиеся должны объяснить наблюдаемое явление.

Опыт № 1 Опыт по инерции (проводят сами учащиеся)

Объясните, почему при резком выбивании открытки монета падает в стакан

Опыт № 2 Сцепление свинцовых цилиндров ( проводит учитель)

Почему слипаются свинцовые цилиндры, когда их соединяют

свежими и ровными срезами.

Опыт № 3 Шар Паскаля

Почему струи из отверстия шара разбрызгиваются примерно на одинаковое расстояние во все стороны, хотя давление производится только в одном направлении?

Опыт № 4 Магдебургские полушария

Учащиеся откачивают воздух в пространстве между полушариями и пытаются их разъединить. Объяснение наверно не вызовет у них затруднения, но этот опыт всегда очень нравится. учащимся.

Опыт № 5. Сообщающиеся сосуды

Объясните, почему в сообщающихся сосудах жидкость устанавливается на одинаковом уровне?

Опыт № 5. Стакан-непроливайка

 

Наполняем стакан водой доверху. Кладем сверху открытку (или игральную карту). Придерживая открытку рукой, быстро переворачиваем стакан и убираем руку. Открытка не падает — она как будто приклеилась к стакану.
А почему так происходит?

Опыт № 6 Певучая рюмка

Приборы и материалы: тонкая рюмка, вода.

Этапы проведения опыта

1. Наполнить рюмку водой и вытереть края рюмки.

2. Смоченным пальцем потереть в любом месте рюмки, она запоёт. Почему?

Опыт № 7 Подставка для кастрюли

Приборы и материалы: тарелка, 3 вилки, кольцо для салфетки, кастрюля.

Этапы проведения опыта

1. Поставить три вилки в кольцо.

2. Поставить на данную конструкцию тарелку.

3. На подставку поставить кастрюлю с водой.

4. Объясните, почему конструкция устойчива и выдерживает большие нагрузки.

Объяснение опыта:

Данный опыт объясняется правилом рычага и устойчивым равновесием.

Опыт № 8. Почему раскрывается шаровая конструкция

Сейчас в продаже можно купить разноцветную шаровую конструкцию (не знаю, как она называется). Если ее подбросить вверх, то она раскрывается . Почему?

Опыт № 9. Сходящиеся листочки

Возьмите две полоски бумаги. Расположите их так, чтобы они были параллельны. Ели резко дуть между ними, то концы листочков сходятся, но как только прекратили дуть, — листки расходятся. Почему? 

Опыт № 10.  Кипятильник

.  Наполним одноразовый медицинский шприц без иглы, на 1/8 водой. Затем заткнем пальцем отверстие и резко  вытянем  поршень до крайнего положения.  Вода внутри шприца «закипит», оставаясь холодной. Почему «кипит» вода?  

Опыт № 11. Яйцо в бутылке

Возьмём бутылку с широким горлышком бросим внутрь нее горящую бумагу, а сверху поставим на горлышко очищенное вареное яйцо. Когда бумага прогорит, яйцо будет плавно втягиваться в бутылку. Почему?

Опыт № 12. Яйцо вареное или сырое?

Имеется два с виду совершенно одинаковых яйца. Как определить какое из них вареное, а какое сырое?

Опыт № 13. Удивительный подсвечник

Приборы и материалы: свеча, гвоздь, стакан, спички, вода.

Этапы проведения опыта

Может ли стакан воды быть подсвечником?

1. Утяжелить конец свечи гвоздём.

2. Рассчитать величину гвоздя так, чтобы свеча вся погрузилась в воду, только фитиль и самый кончик парафина должны выступать над водой.

3. Зажечь фитиль.

Свеча горит и не опускается под воду. Почему?

Объяснение опыта

Свеча с каждой минутой короче. А раз короче, значит и легче. Раз легче, значит, она всплывёт.

И, правда, свеча будет понемножку всплывать, причём охлаждённый водой парафин у края свечи будет таять медленней, чем парафин, окружающий фитиль. Поэтому вокруг фитиля образуется довольно глубокая воронка. Эта пустота, в свою очередь, облегчает свечу, потому-то наша свеча и догорит до конца.

Опыт № 14. Радиометр Крукса

Оборудование: радиометр и источник света.

Сначала объясняем устройство радиометра, обращая особенное внимание на то, что крылышки с одной стороны окрашены в темный цвет, а с другой — в светлый. Затем демонстрируем вращение крылышек, осветив их лампой.

Почему при попадания света на крылышки радиометра они начинают вращаться?

Опыт № 15. Необычный светильник

Какое физическое явление используется в этом декоративном светильнике?

Сцепление — Энциклопедия журнала «За рулем»

Механическая трансмиссия должна иметь возможность кратковременного разъединения от работающего двигателя. Это необходимо при остановках автомобиля и при переключении передач в механической ступенчатой коробке передач. Кроме того, при троганье автомобиля с места и переключении передач соединение вала двигателя и трансмиссии должно происходить плавно, без резких рывков. В связи с этим возникает необходимость в специальном устройстве, обеспечивающем постепенное нагружение двигателя. В качестве такого устройства обычно применяется сцепление. Использование сцепления необходимо для переключения передач т.к. если трансмиссия находится под нагрузкой крутящим моментом, переключение невозможно. Прежде чем переключить передачу, сцепление необходимо выключить.
В принципе, в качестве сцепления может быть использована любая управляемая муфта. Первые автомобили были оборудованы ленточным сцеплением, в котором металлическая лента охватывала снаружи металлический барабан или прижималась к нему изнутри при помощи различных рычажных элементов. Ленточные сцепления в обычном положении были выключены и включались путем перемещения рычага в определенное положение. Основным недостатком ленточных сцеплений была необходимость в использовании сложных регулировочных узлов, компенсирующих изнашивание рабочих поверхностей.

Конусное сцепление

С появлением коробок передач со скользящими шестернями появляются сцепления конусного типа. В отличие от постоянно выключенных ленточных сцеплений конусные сцепления удерживались во включенном состоянии пружиной, а выключались, когда водитель, нажимая педаль, сжимал пружину. Именно с первых конструкций конусных пружин в практику автомобилестроения вошел принцип включения сцепления пружинами.

Сцепление конусного типа:
1 — фланец коленчатого вала;
2 — маховик;
3 — муфта выключения сцепления;
4 — педаль сцепления;
5 — рычаг выключения сцепления;
6 — вал сцепления;
7 — кожух сцепления;
8 — пружина;
9 — конус сцепления;
10 — фрикционная накладка

В конусных сцеплениях поверхности трения составляли угол 15° с осью конуса. Конус, представляющий собой ведомый элемент, первоначально покрывался кожей, которая требовала тщательного и трудоемкого ухода, но даже при этом быстро изнашивалась. Поэтому впоследствии стали применяться прокладки из фрикционных материалов с асбестовой основой. Маховик двигателя служил ведущим элементом сцепления — его обод изнутри имел коническую поверхность, соответствующую поверхности ведомого элемента сцепления. Ведомый элемент устанавливался на шлицах (продольных выступах) вала коробки передач с возможностью осевого перемещения для выключения сцепления. В рабочем положении конусные поверхности трения были сжаты усилием пружины. Нажатие педали сопровождалось отводом ведомой части от маховика и выключением сцепления. При работе любого сцепления важно, чтобы при его выключении ведомая часть быстро останавливалась. Главным недостатком конусного сцепления было то, что обладающий большим моментом инерции ведомый элемент долго вращался после выключения сцепления, затрудняя переключение передач.

Многодисковое сцепление

На смену конусному сцеплению пришло многодисковое сцепление, работающее в масле. Оно состояло из чередующихся стальных и бронзовых дисков, закрепленных на шлицах с ведомым и ведущим барабанами. Ведомый барабан с многочисленными ведомыми дисками также обладал большим моментом инерции, что в значительной степени затрудняло переключение передач. Кроме того, при загустевании масла в холодную погоду диски слипались и сцепление не выключалось.
Следующей ступенью в развитии конструкции сцепления явилось сухое многодисковое сцепление. Ведущие диски его были снабжены накладками из фрикционного материала, приклепанного к ним с обеих сторон. Но и в этом сцеплении сохранился основной недостаток многодисковых сцеплений — большой момент инерции ведомых частей сцепления, затрудняющий переключение передач. Другим недостатком такого сцепления было то, что ведомые металлические диски, расположенные между фрикционными обшивками, обладающими низкой теплопроводностью, сильно нагревались при пробуксовке, что ускоряло износ накладок, а иногда возникало сильное коробление дисков, приводившее к нарушению чистоты выключения сцепления.
С 1910 г. на автомобилях начинают применять однодисковые сцепления. Однако первые конструкции не имели фрикционных накладок, диски изготавливались из чугуна и бронзы или из чугуна и стали. Постепенно преимущества однодискового фрикционного сцепления получили всеобщее признание, и к середине 20-х гг. оно уже практически вытесняет прочие конструкции фрикционных муфт.
Сейчас в трансмиссиях автомобилей все чаще применяются также сцепления, построенные на иных принципах действия: гидравлические и электромагнитные.

Гидравлическое сцепление

В гидравлическом сцеплении (гидромуфте) ведущее (насосное) лопастное колесо связано с двигателем, а ведомое (турбинное) лопастное колесо — с трансмиссией. В поперечной плоскости колеса гидромуфты имеют форму тора. В колесах имеются радиальные лопасти. Оба колеса помещены в корпусе, заполненном маслом. При вращении насосного колеса кинетическая энергия жидкости, расположенной между его лопастями и движущейся под действием центробежных сил, передается турбинному колесу. При достижении определенного числа оборотов эта энергия становится достаточной для того, чтобы автомобиль тронулся с места, а при дальнейшем увеличении числа оборотов колеса гидромуфты начинают вращаться практически с одинаковой скоростью.
Гидромуфта в качестве самостоятельного агрегата, выполняющего функции сцепления в трансмиссии автомобиля, не используется, так как для обеспечения ее выключения при переключении передач необходимо создавать сложную систему ее опорожнения. Поэтому гидромуфта применяется вместе с обычным фрикционным сцеплением, которое устанавливается за ней последовательно и служит лишь для переключения передач.

Электромагнитное порошковое сцепление

Электромагнитное порошковое сцепление:
А, Б, В — зазоры;
1 — ведущая часть;
2 — неподвижный корпус;
3 — обмотка возбуждения;
4 — ведомая часть

Электромагнитное порошковое сцепление получило некоторое распространение на автомобилях малого класса. Ведущим элементом сцепления является маховик с закрепленными на нем магнитопроводами с обмотками возбуждения. Ведомый диск закреплен на ведущем вале коробки передач. Между магнитопроводами и ведомым диском имеется воздушный зазор, в который вводится специальный фрикционный порошок, обладающий высокими магнитными свойствами. При отсутствии тока в обмотках возбуждения между ведущими и ведомыми элементами сцепления силовой связи нет — сцепление выключено. Если к обмоткам возбуждения подводится электрический ток, то за счет образования магнитного поля, частицы порошка выстраиваются по силовым линиям магнитного поля, и создается силовое взаимодействие между ведущими и ведомыми элементами сцепления. Силовая связь зависит от силы тока, поступающего в обмотку возбуждения. Основное достоинство такой конструкции заключается в том, что управление сцеплением можно перенести с педали сцепления на ручной, кнопочный вариант управления, что актуально для водителей с ограниченными физическими возможностями.

Однодисковое сцепление

Однодисковое сцепление:
1 — картер сцепления;
2 — маховик;
3 — фрикционные накладки ведомого диска;
4 — нажимной диск;
5 — опорные кольца;
6 — диафрагменная пружина;
7 — подшипник выключения сцепления;
8 — первичный вал коробки передач;
9 — поролоновые кольца;
10 — муфта выключения;
11 — шаровая опора вилки;
12 — кожух;
13 — вилка;
14 — шток рабочего цилиндра;
15 — соединительная пластина;
16 — рабочий цилиндр;
17 — штуцер прокачки;
18 — демпферная пружина;
19 — ступица ведомого диска

Фрикционное однодисковое сцепление в большинстве случаев является оптимальным конструктивным решением для рассматриваемого узла трансмиссии. Оно состоит из ведущих частей: маховика, кожуха, нажимного диска, вращающегося с частотой коленчатого вала двигателя, и ведомого диска, расположенного на шлицах ведущего вала коробки передач.
Кроме того, во фрикционном сцеплении выделяют группу деталей, осуществляющих включение-выключение и привод сцепления. Включение сцепления осуществляется под действием силы, создаваемой пружинами, а выключение — в результате преодоления этой силы при воздействии на педаль сцепления, которая обеспечивает перемещение выжимного подшипника.
В зависимости от типа пружин, создающих сжимающие силы, фрикционные сцепления разделяются на:
— сцепления с периферийными пружинами;
— сцепления с центральной конической пружиной;
— сцепления с диафрагменной пружиной.
Большинство механических трансмиссий современных легковых автомобилей имеют сцепления с диафрагменной пружиной.
На грузовых автомобилях нашли применение двухдисковые сцепления, использование которых вызвано необходимостью увеличения площади поверхностей трения без увеличения внешних размеров сцепления.

Требования к конструкции сцепления

К конструкции сцепления предъявляются определенные требования.
Плавность включения. Это требование диктуется необходимостью снижения динамических нагрузок в трансмиссии при троганьи автомобиля с места и переключении передач. До недавнего времени для фрикционных сцеплений применялись в основном фрикционные накладки, в состав которых входили асбест, наполнители и связующие материалы. В настоящее время все большее распространение получают фрикционные накладки без асбеста или с минимальным его содержанием. Это связано с тем, что асбестовая пыль признана опасной для здоровья человека.
Конструктивно плавность включения сцепления достигается обеспечением податливости ведомого диска. С этой целью ведомые диски легковых автомобилей выполняются разрезными, с некоторой конусностью или выпуклостью секторов. В этом случае секторы работают как пластинчатые пружины между ведомым диском и одной из фрикционных накладок. Также на плавность включения оказывает влияние упругость элементов в механизме выключения. С этих позиций сцепление с диафрагменной пружиной, у которой податливые лепестки выполняют функции рычагов выключения, предпочтительнее, чем сцепление с периферийными пружинами, у которого выключение осуществляется жесткими рычагами.

Устройство, обеспечивающее гарантированный зазор между поверхностями трения:
a — рычажное;
б, в — со штоком и пружиной;
S — рабочий зазор

Чистота выключения. Полное отсоединение двигателя от трансмиссии достигается получением гарантированного зазора между поверхностями трения при полностью выжатой педали сцепления. Для двухдискового сцепления имеется специальное устройство для принудительного перемещения внутреннего ведущего диска в положение, при котором оба ведомых диска находятся в свободном состоянии.

Предохранение трансмиссии от динамических нагрузок. Динамические нагрузки в трансмиссии могут быть единичными (пиковыми) и периодическими. Пиковые нагрузки возникают при резком изменении угловой скорости трансмиссии, например при включении сцепления броском педали, при наезде на неровность. Чтобы не произошло поломки в трансмиссии, сцепление должно ограничить предельное значение нагрузки путем пробуксовки.

Гаситель крутильных колебаний:
1 — диск;
2 — ступица;
3 — сухарь;
4 — пружина;
5 — стальная шайба;
6 — фрикционная шайба

Периодические нагрузки (крутильные колебания) возникают в результате неравномерности крутящего момента двигателя. Для гашения крутильных колебаний трансмиссии в ведомом диске сцепления устанавливают гаситель крутильных колебаний. Ступица ведомого диска и сам ведомый диск связаны между собой не жестко, а через пружины гасителя. Колебания, возникающие в трансмиссии, вызывают относительное угловое смещение ведомого диска и его ступицы за счет деформации пружин гасителя, а это смещение сопровождается трением фрикционных элементов гасителя. Таким образом, гашение крутильных колебаний происходит за счет сил трения. Кроме того, гаситель, изменяя жесткость трансмиссии, не допускает возможности наступления резонанса в трансмиссии, выводя резонансные частоты за область рабочих частот двигателя.
Применение двухмассовых маховиков в конструкции двигателя позволило перенести гаситель крутильных колебаний из ведомого диска в маховик. Такое конструктивное решение позволяет упростить сцепление, снизить момент инерции ведомого диска и, следовательно, уменьшить нагрузки на элементы управления коробкой передач. Впервые подобные сцепления появились в 1985 г.

Графики упругих характеристик пружин:
1 — сцепление с периферийными пружинами;
2 — сцепление с диафрагменными пружинами

Поддержание нажимного усилия в заданных пределах в процессе эксплуатации. В процессе эксплуатации в результате износа фрикционных накладок нажимной диск перемещается в сторону маховика, изменяя жесткость пружин сцепления. В сцеплении с периферийными пружинами, которые имеют линейную упругую характеристику, это приводит к снижению нажимного усилия и передаваемого момента трения вплоть до наступления пробуксовывания сцепления.
В сцеплениях с диафрагменной пружиной, которая имеет нелинейную упругую характеристику, усилие при износе накладок поддерживается примерно постоянным.
Применение диафрагменной пружины позволяет упростить конструкцию, так как примерно вдвое сокращается число деталей, уменьшается размер сцепления, а пружина выполняет еще и функцию рычагов выключения. Диафрагменная пружина обеспечивает равномерное распределение усилия по всей накладке. Важным преимуществом диафрагменной пружины, по сравнению с периферийными, является то, что при повышении угловой скорости маховика центробежные силы не искажают ее характеристику. Кроме того, как видно из графика, при выключении сцепления усилие пружины снижается, что облегчает управление сцеплением. В некоторых конструкциях с диафрагменной пружиной выпуклая сторона пружины направлена внутрь сцепления. Это позволяет несколько уменьшить ширину агрегата, но усложняет конструкцию выжимного элемента и привода.
Первоначально диафрагменная пружина появилась в сцеплениях легковых автомобилей. Долгое время применение ее в сцеплениях грузовых автомобилей сдерживалось технологической сложностью изготовления пружины большого диаметра.

Смотрите также:
Устройство сцепления
Привод сцепления

Шесть источников и три составные части сцепления — журнал За рулем

ШЕСТЬ ИСТОЧНИКОВ И ТРИ СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ СЦЕПЛЕНИЯ

РЫНОК

/ЭКСПЕРТИЗА

ШЕСТЬ ИСТОЧНИКОВ И ТРИ СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ СЦЕПЛЕНИЯ

ПРОВЕРЯЕМ КОМПЛЕКТЫ СЦЕПЛЕНИЯ НА «САМАРУ»

ТЕКСТ / ДМИТРИЙ ЕРЫГИН, МИХАИЛ КОЛОДОЧКИН

Тому, кто решил самостоятельно заменить сцепление, как-то неудобно давать «умные» советы. Новичку за эту работу «без присмотра» браться, наверное, не стоит, а «бывалые» обычно имеют о ней сложившееся представление. Вот только выбрать на прилавке подходящее изделие довольно сложно — даже наличие известного брэнда не всегда гарантирует должное качество. Запас «старых» знаний тоже может подвести — жизнь не стоит на месте. Поэтому предлагаем всем желающим ознакомиться с результатами исследований, проведенных по нашей просьбе в специализированной лаборатории НАМИ.

Проверялись шесть комплектов сцепления на «Самару», приобретенных в розничной торговле. Чтобы скупым протокольным данным на страницах журнала не было одиноко, мы решили сопроводить их комментариями специалистов, а также мнениями бывалых практиков по выбору того или иного изделия, приемам монтажа на автомобиль и т.п.

Для начала напомним, что основных деталей сцепления три: выжимной подшипник, корзина (она же — нажимной диск) и ведомый диск — только и всего. Как обычно, «визитные карточки» изделий приведены под соответствующими фото — оценки же расставим чуть позже.

ЧТО ИЗМЕРЯЛИ?

Что проверить у сцепления кроме упаковки и внешнего вида? Каждый комплект взвесили — подетально и «на брудершафт». Затем оценили ряд геометрических параметров, измерили максимальный передаваемый крутящий момент, определили дисбаланс нажимного и ведомого дисков. Кроме того, замерили усилие выжима каждого сцепления, сравнили торцевые биения поверхностей трения ведомых дисков и т.п. Полученные результаты сопоставили с положениями «талмуда» — РД 37.001.664 — 95 «Сцепления фрикционные сухие автомобилей. Общие технические требования и методы испытаний», а также комплекта КД на сцепления автомобилей ВАЗ. Наиболее важные и интересные результаты приведены в таблице.

ЧТО ПОЛУЧИЛИ?

Масса комплектов одинаковых на первый взгляд сцеплений отличается более чем на полкило. Самым легким оказался «ЛуК», а в тяжеловесы попал «ВАЗинтерсервис». Конечно, масса комплектов оказывает влияние на крутильные колебания в трансмиссии, но будем считать, что разброс «по граммам» в нашем случае не столь велик, чтобы заметно изменить форму колебаний. В общем, масса скорее характеризует совершенство конструкции сцепления, чем их прямые достоинства или недостатки.

С передачей крутящего момента все сцепления справились, но разброс опять получился внушительный — от 150 до 190 Н.м, причем самым «слабым» оказался вазовский образец. А вот измерения дисбаланса напомнили допинг-контроль на Олимпиаде… Действительно, статический дисбаланс оказался таким, что с «дистанции» сняли всех, кроме «ЛуКа»! И если «Сакс» и «ВАЗинтерсервис» еще могли взывать к милости экспертов (подумаешь, какие-то 10%), то остальным оставалось только краснеть за собственную неполноценность. Особенно удивил «англичанин», превысивший норму аж в пять раз!

С динамическим дисбалансом было иначе. Прекрасные результаты показали «Сакс» и «ЛуК», уложившиеся в требования с большим запасом. А хуже других выглядел опять «Квинтон Хэзл».

Усилие выжима сцепления — это просто: педаль либо тяжелая, либо легкая. Однако и здесь акценты не изменились — чистая победа «ЛуКа» и последнее место «англичанина»: только он не уместился в рамках вазовских требований. Остальные выглядели вполне достойно: лишь «ВАЗинтерсервис» опять не добрал до нормы нескольких процентов.

Нажимной диск во всех комплектах перемещался в пределах дозволенного. Относительно большая величина перемещения у «англичанина» частично объясняет большое усилие выжима, отмеченное строчкой выше. Что касается расстояния от концов лепестков до поверхности трения, то это — геометрическая характеристика узла в сборе, нормируемая для конкретной модели автомобиля. При увеличении этого параметра выше нормы снижается срок службы ведомого диска. Торцевое биение в комментариях не нуждается — чем оно ниже, тем лучше.

С официальными результатами разобрались. Пора сделать небольшой перерыв и выслушать мнение «бывалых».

МНЕНИЕ ПРАКТИКА

Чтобы обеспечить оптимальный срок службы сцепления, следует заменять все три «составляющие» одновременно (выжимной подшипник, корзину и ведомый диск).

Количество демпферных пружин в ведомом диске особой роли не играет. Они имеют попарно равную жесткость, подбираемую заводом-изготовителем. У сцеплений с шестью пружинами результирующая угловая жесткость изменяется по более сложному закону, нежели у «четырехпружинных» изделий.

Число лепестков у диафрагменной пружины корзины также не служит критерием качества, хотя можно считать, что точность работы сцепления все же повышается с ростом их числа.

Выбор конкретного производителя во многом определяется личными предпочтениями. Обычно не возникает проблем с «ЛуКом» и «Саксом». С «Квинтоном» педаль становится тугой, но к концу хода она «легчает» — такая вот кинематика.

В процессе замены сцепления необходимо затягивать крепежные болты постепенно и через один, чтобы предотвратить коробление кожуха корзины. Перед затяжкой болтов корзины оправку, используе

Устройство автомобиля: принципы работы сцепления

Расположение сцепления в автомобиле Если Вы водите автомобиль с механической коробкой, то, вероятно, Вы будете удивлены, узнав, что в машине несколько сцеплений. И в машинах с АКПП также есть сцепления. На самом деле, сцепления используются во многих знакомых нам устройствах. В беспроводных дрелях есть сцепление, в бензопилах установлено центробежное сцепление, даже в некоторых игрушках йо-йо есть сцепление.

В этой статье мы расскажем о том, зачем нужно сцепление, как оно работает в автомобиле, а также о том, где еще используется сцепление.

Сцепление — довольно полезное устройство с двумя вращающимися валами. Один из валов обычно приводится в действие двигателем или шкивом, а второй приводит в действие другой механизм. В дрелях, например, первый вал приводится в движение электродвигателем, а второй вращает патрон. Задача сцепления — соединять эти два вала, чтобы они вращались с одной скоростью, и разъединять, чтобы они вращались с разной скоростью.

В автомобиле сцепление необходимо, т.к. двигатель вращается постоянно, а колеса — нет. Для того чтобы при каждой остановке не приходилось глушить двигатель, необходимо каким-то образом разъединять колеса и двигатель. Сцепление позволяет мягко соединить вращающийся двигатель и неподвижную трансмиссию, плавно «притирая» валы.

Для того чтобы понять, как работает сцепление, необходимо знать, что такое сила трения, которая определяет, насколько тяжело обеспечить скольжение одного объекта по другому. На любой поверхности есть неровности, даже на самой гладкой можно разглядеть микроскопические неровности, которые обуславливают коэффициент трения. Чем сильнее неровности, тем труднее одному объекту скользить по другому.

Сцепление работает благодаря трению диска сцепления и нажимного диска. Далее мы подробно рассмотрим устройство сцепления.

Нажимной диск, диск сцепления и сила трения

В автомобильном сцеплении нажимной диск соединен с двигателем, а диск сцепления — с трансмиссией.

Когда вы отпускаете педаль сцепления, пружины прижимают нажимной диск к диску сцепления. Таким образом, соединяются двигатель и ведущий вал трансмиссии, и они вращаются с одинаковой скоростью.

Сила, которую может удержать сцепление, зависит от трения между нажимным диском и диском сцепления, а также от силы нажатия пружин на нажимной диск.

Как работает сцепление

Когда Вы выжимаете педаль сцепления, трос или гидравлический поршень толкают вилку, которая двигает выжимной подшипник к диафрагменной пружине. Лепестки диафрагменной пружины прогибаются, а наружный край пружина отходит от нажимного диска, освобождая его. Передача крутящего момента от двигателя на трансмиссию прерывается.
Диск сцепления Обратите внимание на пружины, расположенные на диске сцепления. Эти пружины предназначены для того чтобы поглощать трансмиссионные удары, возникающие, если резко бросить сцепление.

Такая конструкция работает стабильно, однако могут возникнуть некоторые проблемы. Далее мы расскажем о проблемах, связанных со сцеплением.

Распространенные проблемы сцепления

В 1950-е — 1970-е гг. приходилось менять сцепление каждые 80 000 — 100 000 км. Ресурс современных сцеплений составляет более 130 000 км при правильной эксплуатации и обслуживании. В противном случае, сцепление может выйти из строя на 55 000 км. У перегруженных грузовиков и буксирующих тяжелые грузы тягачей могут возникнуть проблемы даже с новым сцеплением.

Основная проблема заключается в износе фрикционного материала диска. Фрикционный материал на диске сцепления схож с фрикционным материалом тормозных колодок — со временем он стирается. При износе большей части фрикционного материала диск начинает проскальзывать, и сцепление не передает мощность от двигателя на колеса.

Износ сцепления происходит только при вращении дисков с разной скоростью. Когда диски прижаты друг к другу, фрикционный материал удерживает диски, и они вращаются с одинаковой скоростью. Износ происходит, если диск сцепления проскальзывает по нажимному диску. Но если Вы водите с частым просказыванием сцепления, износ проходит намного быстрее.

Проблемы со сцеплением также могут возникнуть, если диск сцепления не может оторваться от нажимного диска. Если сцепление выжато не до конца, оно продолжает вращать ведущий вал. Это может привести к включению передачи «с хрустом» или заклиниванию передач. Это может произойти по следующим причинам:

• Трос сцепления растянут или поврежден — Для эффективной работы кабеля требуется достаточное натяжение.
• Протекание или износ главного/рабочего цилиндра сцепления — Протечка не позволяет обеспечить достаточное давление.
• Воздух в гидравлическом трубопроводе — Воздух влияет на работу гидравлики, т.к. занимает пространство и не позволяет обеспечить достаточное давление.
• Неправильно установленный рычаг педали сцепления — Передает слабое усилие на трос или главный цилиндр гидравлической системы.
• Несовместимость деталей сцепления — Не все детали, представленные на послегарантийном рынке, подходят для Вашего автомобиля.

Тугое сцепление — еще одна распространенная проблема. Для полного выключения сцепления требуется определенное усилие. Слишком тугая педаль сцепления может свидетельствовать о неисправности. Причин может быть несколько: заел рычаг педали, трос, поперечный валик или подшипник вилки сцепления. Иногда износ уплотнений и затор в гидравлической системе могут привести к тому, что педаль сцепления становится тугой. Еще одна частая проблема — это износ выжимного подшипника, который также называют подшипник выключения сцепления. Этот подшипник надавливает на лепестки диафрагменной пружины нажимного диска. Если Вы слышите неприятный звук при нажатии на педаль сцепления, это может свидетельствовать о неисправном выжимном подшипнике.

Проверка сцепления

Если при проверке Вы не услышите посторонний шум, то, вероятно, причина неисправности не в сцеплении. Если Вы слышите шум на холостом ходу, который пропадает при нажатии на педаль сцепления, возможно, проблема в месте контакта вилки подшипником.

1. Заведите двигатель, поставьте автомобиль на ручной тормоз и переключитесь на нейтраль.
2. Прислушайтесь, есть ли гул при работе двигателя на холостом ходу и не нажатой педали сцепления. Если Вы слышите шум, то, скорее всего, проблема связана с трансмиссией. Если шума нет, переходите к следующему пункту.
3. На нейтральной передаче начинайте выжимать сцепления и прислушивайтесь. Если Вы слышите скрежет, то, скорее всего, проблема в выжимном подшипнике или в вилке. Если шума нет, переходите к следующему пункту.
4. Выжмите сцепление до конца. Если Вы слышите скрип, вероятно, неисправна втулка или управляющий подшипник.

Далее мы рассмотрим разливные виды сцеплений, и где их используют.

Виды сцеплений

Компрессор автомобильного кондиционера с магнитным сцеплением В автомобиле используются различные виды сцеплений.

Автоматическая КПП включает в себя несколько сцеплений. Эти сцепления включают и выключают планетарные передачи. Каждое сцепление приводится в действие при помощи гидравлической жидкости под давлением. При падении давления пружины разъединяют сцепление.

В автомобильном кондиционере используется электромагнитное сцепление. Оно позволяет компрессору отключаться даже при работающем двигателе. Сцепление срабатывает при прохождении электрического тока через магнитную катушку. Если подача тока прекращается (Вы выключили кондиционер), сцепление разъединяется.

Во многих автомобилях используются вентилятор охлаждения, работающий от двигателя. Такой вентилятор управляется другим типом сцепления — вязкостной муфтой. Она срабатывает в зависимости от температуры жидкости. Муфта устанавливается на ступицу вентилятора в потоке воздуха, проходящего через радиатор. Данный тип сцепления схож с вискомуфтой, которая используется во вседорожных автомобилях. При нагревании вязкость жидкости в муфте повышается, что приводит к повышению скорости вращения вентилятора для соответствия скорости вращения двигателя. В холодном автомобиле жидкость в муфте не нагревается, и вентилятор вращается медленно, что позволяет двигателю быстрее нагреться до рабочей температуры.

Во многих автомобилях установлены самоблокирующиеся дифференциалы или вискомуфты, которые используются для повышения сцепления с дорогой. При повороте одно колесо вращается быстрее другого, что затрудняет управление. Самоблокирующийся дифференциал срабатывает при помощи сцепления. Если одно колесо начинает вращаться быстрее других, активируется сцепление для замедления вращения. Езда по лужам и по льду может привести к пробуксовке.

В бензопилах используются центробежные сцепления для остановки цепи без необходимости глушить двигатель. Такие сцепления срабатывают автоматически посредством центробежной силы. Входной барабан соединен с коленвалом двигателя. Выходной барабан приводит в действие цепь. При повышении оборотов двигателя, фрикционные сегменты прижимаются к внутренней поверхности барабана. Центробежные сцепления также используются в газонокосилках, картах и мопедах. Сцепление есть даже в некоторых игрушках йо-йо.