Физическое обоснование надежности прямого узла

 

Начнем издалека и вспомним, каким образом у продолгова­того стержня, лежащего на двух подвижных опорах, можно най­ти центр тяжести.

 

 

 

На самом деле искать ничего не надо – центр тяжести обна­ружится сам, поскольку опоры А и В сойдутся именно под ним и ни в каком другом месте. Происходит это из-за саморегулирующего фактора силы трения. Та опора, которая находится в определенный момент ближе к центру тяжести (на рисунке это опора В), испытывает большее давление, и, следовательно, в соответствии с законом Кулона-Амонтона (F = µ P) тормозящий эффект силы трения на такой опоре будет выше, чем на опоре А. Ввиду этого опора В на некоторое время станет неподвижной относительно стержня, а приближаться к центру тяжести будет опора А. Но как только опора А хоть немного станет ближе к центру тяжести, нежели опора В, неподвижной относительно стержня станет она, а приближаться к центру тяжести стержня будет уже опора В. В конце концов опоры А и В сой­дутся именно под центром тяжести стержня.

Такой способ на­хождения центра тяжести абсолютно универсален, и годится не только для однородного стержня. Достаточно положить швабру на два пальца и медленно сводить их, чтобы убедиться, что паль­цы сойдутся именно под центром тяжести швабры и швабра не упадет, несмотря на то, что в отличие от однородного стержня ее центр тяжести сильно смещен к тому краю, на котором зак­репляется тряпка.

А теперь можно перейти и к рассмотрению схемы работы прямого узла.

Представим, что нагрузка действует на коренные концы С и D, которые вследствие этого испытывают натяжение, и рассмотрим только одну из связываемых веревок – например веревку В-D (рис. 66). Допустим, что узел еще не обтянут и коренной конец D под действием приложенной внешней силы движется вправо. В этом случае ходовой конец В будет тормозиться силой трения о коренной и ходовой концы веревки А-С (прошу обратить внимание, что в рассматриваемом случае еще присутствует и эффект охвата веревкой В-D цилиндрической поверхности, которую в какой-то степени моделируют сложенные вместе ходовой и коренной концы веревки А-С), и коренной конец веревки В-D в любом случае будет быстрее двигаться вправо, нежели ее ходовой конец влево. Это приведет к обтяги­ванию петли, создаваемой веревкой В-D, и, следовательно, к более сильному прижатию друг к другу ходового и коренного концов веревки А-С. В соответствии с законом Кулона-Амонтона (F = µ P) в результате такого обтягивания сила трения меж­ду концами А и С будет возрастать до тех пор, пока ее величина не станет достаточной для противодействия внешней силе, воз­действующей на коренные концы С и D. Но точно так же, как веревка В-D в рассмотренном случае действует на веревку А-С, веревка А-С будет действовать на веревку В-D. Как и в случае с опорами под стержнем, веревки будут взаимодействовать друг с другом посредством саморегулирующей силы трения и «зам­кнут» друг друга именно с той силой трения, которая необходи­ма для противодействия силе натяжения коренных концов. При возрастании силы натяжения коренные концы еще чуть-чуть ра­зойдутся (причем на незаметное для глаза расстояние), но толь­ко лишь для того, чтобы обтянуть друг друга сильнее и нарас­тить силу трения, необходимую для противодействия возрос­шей силе натяжения. На веревке или тросе с малым коэффици­ентом трения расхождение коренных концов до нового положе­ния будет несколько больше, чем на веревке или тросе с боль­шим коэффициентом трения, но в любом случае сила трения между концами веревок или тросов всегда будет достаточной для противодействия той нагрузке, какую только может выдержать более слабый из двух связываемых концов.

Поэтому «ползти» прямой узел, связанный из двух веревок примерно одинаковой жесткости и толщины, никак не может! Мы испытывали прямой узел в самых разных обстоятельствах и на тросах из самых различных материалов. Один раз даже представился случай помочь связать имен но прямым узлом лопнувший буксировочный трос из синтети­ческой веревки (а коэффициент трения у неё довольно невысок), с помощью которого КамАЗ буксировал бензовоз, который привез на теплоход топливо, но застрял. Отметив маркером в экспериментальных целях положения хо­довых концов относительно коренных, мы ожидали в конце пути увидеть хоть небольшое, но смещение ходовых концов относи­тельно коренных, однако ничего подобного не было!

А теперь ради интереса рассмотрим воровской узел, кото­рый в наибольшей степени похож на прямой, а потому особен­но опасен.

На рисунке хорошо видно, что коренной конец каждой из веревок «опирается» на никак не сопротивляющийся ходовой конец другой веревки. Поэтому при воздействии силы натяжения на коренные концы В и С они расходятся в стороны и увлекают за собой ходовые концы А и D, которые в конце концов обязательно выскочат из переплетения, и этот, с позволения сказать, узел непременно «развалится».

Вот что сообщают нам о прямом узле современные морс­кие справочники и учебники, изданные в нашей стране за пос­ледние годы. «Прямой узел применяется для связывания двух тросов примерно одинаковой толщины. При сильном натяже­нии и намокании прямой узел затягивается и развязать его бывает очень трудно. Поэтому при связывании прямым узлом толстых тросов в узел необходимо вставить «клевант»(7, с. 192).

По­чти то же самое говорится у Скрягина «При больших на­грузках на связанные тросы, а также при намокании тросов прямой узел сильно затягивает. Для предотвращения чрезмер­ного затягивания в петли узла вводят деревянный вкладыш». (6, с. 38-40).

Оставим в стороне забавное утверждение авторов процити­рованных источников о том, что прямой узел якобы трудно раз­вязать. В опровержение этого тезиса автор книги «Морские узлы» описал, как «трудно развязываемый» прямой узел развя­зывается всего за 1-2 секунды – для этого достаточно дернуть в стороны ходовой и коренной концы одной из связанных пря­мым узлом веревок, и он сразу же развернется, после чего разъе­динить связанные веревки не составит никакого труда. Если уж на то пошло, то прямой узел является одним из наиболее лег­ких для развязывания узлов, и утверждения некоторых авторов о необходимости вставлять деревянный вкладыш (клевант) для облегчения развязывания прямого узла после снятия нагрузки лишний раз подтверждают то, о чем я уже говорил в начал этой книги: авторы некоторых пособий по узлам сами далеко не всегда правильно ориентируются в описании свойств узлов.

Однако здесь заслуживает внимания другое, а именно утверждение процитированных источников о том, что прямой узел СИЛЬНО ЗАТЯГИВАЕТСЯ. Вот в этом как раз сомневаться не приходится.

В связи с этим возникает вопрос: а может ли сильно затяги­ваться узел, имеющий приписываемое ему свойство «ползти» под нагрузкой? Ведь сильное затягивание подразумевает вклю­чение в работу мощных сил трения, которые никак бы не вклю­чились в работу, если бы узел постоянно полз. Тут должно быть что-либо одно: либо узел «ползет» и вследствие этого никак не может обтянуть самого себя (а следовательно затянуться), либо он все-таки затягивается, но как в таком случае он может ползти? Вот воровской узел затянуть невозможно, потому что он «конст­руктивно» создан для того, чтобы предательски «ползти».

Теперь обратимся еще к одному косвенному доказательству того, что прямой узел «ползти» не может, но прежде чем сделать это, необходимо напомнить, что любой сильно затянутый узел в какой-то мере неизменно снижает прочность веревки даже пос­ле его развязывания. Пережатые и растянутые сильно затяну­тым узлом пряди веревки являются своего рода концентратора­ми напряжений, снижающими прочность веревки даже после развязывания узла. Вот что о влиянии узлов на прочность ве­ревки пишется еще в одном источнике: «Узлы крадут прочность. Этот факт менее известен, чем следовало бы. Любой узел забирает у веревки, на которой он сделан, ее силу и прочность, и чтобы доказать это, английская компания English Braids Ltd выполнила несколько тестов специально для автора этой кни­ги. Было обнаружено, что беседочный узел снижает прочность веревки до 30%, восьмерка – до 28 %, а рифовый узел – до 50. Учитывая количество случаев, когда мы используем узлы в мор­ском деле (а их довольно-таки много!), вы должны помнить этот факт при выборе веревок и узлов для работы». (5, С.83)

Напомним, что рифовый узел – это один из вариантов назва­ния прямого узла. Таким образом, даже натурные эксперимен­ты подтверждают, что прямой узел в наибольшей степени кра­дет прочность веревки, но этот же факт как раз и говорит о том, что он в наибольшей степени затягивается, ибо, как уже упоми­налось выше, чем сильнее узел затягивается, тем в большей степени он крадет прочность веревки.

Таким образом, в упрек прямому узлу можно ставить что угодно, но никак не свойство «ползти и развязываться».

 

Заключение

 

Итак, опытным и эмпирическим путем мы доказали, что прямой узел может применяться для связывания двух канатов приблизительно одинаковой толщины, независимо от материала изготовления каната. Силы, действующие на коренные концы каната только сильнее затягивают его, а ходовые концы, образующие петлю, обжимают коренные концы, увеличивая силу трения.

Возникает вопрос: откуда же у прямого узла взялась дурная репутация при его несомненной надежности? У нас на этот счет одна версия: в незаслуженно плохой репутации прямого узла виноваты именно его коварные близнецы, и особенно во­ровской узел. При достаточно длинных ходовых концах очень трудно составить представление, прямой или – не дай Бог – воровской узел мы вяжем, и, следовательно, очень легко завя­зать воровской узел вместо прямого. Как следствие, вина за лю­бой несчастный случай, вытекающий из такой путаницы, будет незаслу­женно возлагаться (и, видимо, уже неоднократно возлагалась в прошлом!) на прямой узел, поскольку независимо от того, во­ровской или прямой узел получится в итоге, изначально-то под­разумевался именно прямой узел! Отсюда и пугающая цитата из «Книги узлов Ашлея» о том, что прямой узел якобы «унес больше человеческих жизней, нежели дюжина других узлов вместе взятых».

И все-таки после такой подробной и основательной защиты репутации прямого узла мы хотели бы дать парадоксальную на первый взгляд рекомендацию: НЕ НАДО ИСПОЛЬЗОВАТЬ ПРЯМОЙ УЗЕЛ ДЛЯ СВЯЗЫВАНИЯ ДВУХ ТРОСОВ КАК РАЗ ИМЕННО ПО ПРИЧИНЕ ТОГО, ЧТО ЕГО ОЧЕНЬ ЛЕГКО СПУТАТЬ С ВОРОВСКИМ УЗЛОМ. Достаточно малейшего отвлекающего фактора при вязании прямого узла – и ходовой конец одной из связываемых веревок может быть пу­щен по траектории воровского узла. В ситуациях, когда прихо­дится вязать прямые узлы один за другим, из десяти подразуме­ваемых прямых узлов один-два (а то и больше) наверняка ока­жутся воровскими.

В качестве достойной альтернативы для таких случаев можно порекомендовать шкотовый узел, у которого, в отличие от прямого и воровского узлов, взаимное расположение ходовых концов никак не влияет на его свойства.

 

 

Шкотовый узел с                             Шкотовый узел с
ходовыми концами,                        ходовыми концами,

ориентированными в                      ориентированными

противоположные стороны            в одну сторону

 

Также есть у прямого узла и «достойные родственники» – двойной прямой узел и рифовый узел.

Двойной прямой узел применяется в тех же случаях, что и прямой, только при использовании связанного каната более длительное время. Двойной прямой узел еще иногда называют академическим (за его строгую симметричность) и хирургическим (им пользуются хирурги при проведении операции, когда накладывают швы).

Рифовый узел применяется для «взятия рифов», то есть для крепления паруса, чтобы потом его можно было быстро, одним рывком развязать. Но в затянутом состоянии он также надежен, как и прямой. Мои друзья называют его ещё «прямым с бантиком». Кстати, прямой для подвязки паруса как раз не удобен – зря его называли «рифовым».

 

Я собираюсь продолжить изучение темы «физика морских узлов» и разобраться с беседочным узлом, чтобы доказать, что этот узел наоборот не так надежен, как его описывают. Например, завязанный на синтетическом тросе левшой, то есть в зеркальном отображении, он скользит в сторону страхуемого человека, затягиваясь вокруг его туловища удушающей петлей. То есть может применяться только для удержания предметов, но не для страховки человека при высотных работах.

 

Источники

 

1. Багрянцев Б.И., Решетов П.И. Учись морскому делу. М.: «Издательство ДОСААФ СССР», 1986 г., 177с.

2. Гордеев И.И. Матрос, рулевой речного флота: Учебник для нач.проф.образования. М.: «ACADEMA», 2003г., 176с.

3. Джерман К, Бивис Б. Современный трос в морской практике. Синтетические и натуральные волокна. Перевод с английского. Л.: Судостроение, 1980 г., 96с.

4. Замоткин А.П. Морская практика для матроса. М.: Транспорт, 1985г., 280с.

5. Колин Дж. Морские узлы в обиходе. / Пер. с англ. Второе изда­ние. - СПб.: Диля, 2004. - 96 с.

6. Скрягин Л.Н. Морские узлы. М.: Транспорт, 1994г., 128с.

7. Спра­вочник по морской практике.  М.: Воениздат, 1969, 268с.

8. Интернет-сайт www. muzel. ru

 

[1] Кстати, по одной из версий старых моряков слово «салага» в русском языке буквально означает, что «Я – с Алага (с острова Алаг, где будто бы размещалась школа юнг), и вовсе не являлось обидным.