KURZUS: Rakományrögzítés

MODUL: A rakománybiztosítás fizikája

2. lecke: Erő és energia kapcsolata

| Cél: A tananyag célja, hogy a hallgató felidézze azon fizikai szabályrendszereket, melyek az áru szállítása során fellépő igénybevételek elemzéséhez elengedhetetlenek. A lecke elsősorban azokat a fizikai alapismereteket eleveníti fel, amelyek a rakományrögzítés alapjait képezik.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha
emlékezetből képes definiálni a tananyagban található alapfogalmakat, képes a tanultaknak megfelelően a kapcsolatos fizikai törvényszerűségeket felidézni
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 90 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak
erő centrifugális erő mozgási energia súrlódás
1. Erő
Egy erőt csak a hatásáról ismerünk fel. Ha erő hat egy testre, akkor megváltozik a mozgásállapota. Ez ahhoz vezet, hogy megváltozik pl. a test sebessége (lassabban, vagy gyorsabban fog mozogni), vagy megváltozik a mozgásának iránya. De egy erő rugalmas vagy rugalmatlan alakváltozást is előidézhet egy testben.
Egy adott erőnek három fontos tulajdonsága van:
nagysága iránya támadáspontja.
Az erő jele: F
Az erő mértékegysége: N (Newton) N = kg*m/s2.
1 N az az erő, amely egy 1kg tömegű testnél 1m/s 2 gyorsulást eredményez.
Erő jelölése
4. ábra
Forrás: http://www.fizika.ws/az_ero_abrazolasa
Erő jelölésének értelmezése
5. ábra
Forrás: http://www.fizika.ws/az_ero_abrazolasa
Súlyerő
A Föld minden emberre vonzóerővel hat. Minél nagyobb egy test tömege, annál nagyobb a Föld ráható súlyereje. Egy test súlyerejét (FG) Newtonban (N) mérjük. Ha egy test súlyát a Holdon szeretnénk megmérni, akkor kisebb értéket kapnánk, mint a Földön.
Példa súlyerőre
6. ábra
Forrás: http://www.fizika.ws/ero
Ez azért van, mert a Hold vonzóereje alacsonyabb, mint a Földé. A köznyelvben viszont sokszor helytelenül összekeverik a tömeget és a súlyt.
Szabadesés kiszámítása
A szabadesésben lévő testet a Föld 9,81 m/s2 gyorsulással vonzza és ez eredményezi a súlyerőt (FG).
F G = m * g (1)
Ahol
FG - a súlyerő, m - a test tömege g - a testre ható gyorsulás (ez a Földön általában 9,81 m/s2)
Általános erők
A rakománybiztosítás mérésénél a maximálisan ható erőket kell megállapítanunk. Az általános erőket a tömeg (m) és a gyorsulás (a) szorzataként kapjuk.
Fékezésnél keletkező erők kiszámítása
Például a fékezésnél keletkezhetnek ilyen módon számítható erők:
F M= m * a (2)
Ahol
FM - a test tömegéből származó erő m - a test tömege a - a test gyorsulása (m/s2)
Fékezésnél keletkező erők kiszámítása
7. ábra
Forrás: http://www.csom.hu/nagykep.php?file=b_pantolas_03.jpg
Példa
Mekkora a rakományra ható erő (m = 10.000kg) vészfékezésnél?
(a = 0,8*g) (g = 9,81 m/s 2) a = 0,8*g = 0,8*9,81 m/s 2 = 7,9 m/s 2
Így a keresett F M erő:
F M = m*a = 10 000kg*7,9m/s 2 = 79 000N
2. Centrifugális erő
A centrifugális erő sugár irányban hat a testre az ábrán látható módon:
Példa centrifugális erőre
8. ábra
Forrás: http://www.vilaglex.hu/Lexikon/Html/CentrEro.htm
A centrifugális erő azért lép fel, mert minden test igyekszik megőrizni a tehetetlenségét, és így a mozgásállapotát. A mozgásállapot változás pedig bekövetkezik egy kanyarodásnál, vagy egy irányváltoztatással együtt járó kitérő manővernél.
A centrifugális erőt a következő formulával számíthatjuk:
F Y = m * a c = m * V K 2 / r (6)
Ahol
FY - a centrifugális erő m - a test tömege ac - a centripetális gyorsulás vK - az érintő irányú sebesség r - a kanyarodás sugarának hossza
A centrifugális erő (FY) nagyobb lesz, ha:
nagyobb a tömeg (m) nagyobb a sebesség (vK) kisebb a sugár (r)
Vigyázni kell azonban, mivel a centrifugális erő a jármű sebességével négyzetesen arányos!
Példa
m = 500 kg; v K = 25 km/h; r = 40 m
A sebesség átváltása:
v K = 25 km/h / 3,6 = 6,94 m/s F Y = 500 kg * (6,94 m/s)2 / 40 m = 602 N
Ha megduplázzuk a sebességet, akkor:
v K = 50 km/h = 13,89 m/s F Y = 500 kg * (13,89 m/s)2 / 40 m = 2411,6 N
Így a centrifugális erő a többszöröse lesz!
3. Mozgási energia
A mozgási energia megjelenik minden mozgó testben. Minden tömeggel rendelkező, mozgó testben ott van és a sebességgel ez a mennyiség is négyzetesen arányos, mint a centrifugális erő. Tehát érvényes, hogy a sebesség kétszerezésével a mozgási energia hatványozódik.
Ez az energia egy zárt rendszerben elvileg örökké megmarad. A mozgási energia kiszámítása azonban egyszerű eszközökkel meglehetősen nehéz.
A mozgási energia jele: E KIN (kinetikai energia)
Mértékegysége a Joule (J) (1 J = 1 Nm)
E KIN = m * v 2 / 2 (7)
Ahol
EKIN - a kinetikai energia m - a mozgó test tömege v - a mozgó test sebessége
Példa
A mozgási energia hatása a fuvarozandó rakományra a jármű falának való nekiütközés pillanatában.
A rakomány egyik darabja (m = 25 000 kg) fékezésnél nekiütközik (v = 6 m/s) a jármű falának. A test rövid idő alatt (t = 0,15 s) megáll. Így a test gyorsulása:
a = v / t = 6 m/s / 0,15 s = 40 m/s 2
Az erő kiszámolható az alábbi formulával:
F = m * a = 25 000 kg * 40 m/s 2 = 1 000 000 N
Egyszerűen kifejezve, körülbelül 100 tonna terhelést kell elviselnie a jármű oldalának ebben az időtartamban. Ha nincs megfelelően kialakítva a jármű, hogy elviselje ezt a terhelést, akkor könnyen baleset történhet, ami akár a vezető életébe is kerülhet.
Mozgási energia a gyakorlatban
9. ábra
Forrás: Európai legjobb gyakorlatra vonatkozó iránymutatás a rakományok rögzítéséhez a közúti szállításban
4. Súrlódás
A súrlódás a rakománybiztosítás egyik nagyon fontos tényezője. Súrlódás nélkül a rakománybiztosítás még nehezebb feladat lenne és további biztosítóeszközök lennének szükségesek. A súrlódásnak alapvetően két fajtáját különböztetjük meg:
tapadási súrlódás csúszási súrlódás
A súrlódási erő kiszámításához a súrlódási együtthatók szükségesek. Az együtthatóknál figyelembe kell venni, hogy milyen anyagú testek vannak kölcsönhatásban egymással. Az együtthatók vizsgálatával a VDI 2700 szabvány 14. melléklete foglalkozik részletesebben.
Súrlódás és közegellenállás kapcsolata
10. ábra
Forrás: http://www.mozaweb.hu/Lecke-Fizika-Fizika_9-10_2_Surlodas_Kozegellenallas-100014
Tapadási súrlódás
Tapadás akkor lép fel, amikor egy nyugalomban lévő test egy felületen megmozdul. A súrlódás biztosítja, hogy az adott test mégis a helyén maradjon. Minél durvább a felület a két test között, annál nehezebb a testnek elmozdulnia a felületen.
Tapadási együttható meghatározása
11. ábra
Forrás: http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/0033_SCORM_GEFIT6101/sco_02_01.scorm
A tapadási együttható µ S -t a ferde, egyenes felületeknél alkalmazzák. A felületet olyan meredekségig emeljük, amíg a vizsgált test el nem mozdul. Ebben a pillanatban leolvashatjuk a lejtő meredekségének szögét ( α). Ennek a szögnek a tangense a testek csúszási súrlódási együtthatója.
(8)
Példa
Ki szeretnénk számítani egy testre ható tapadási súrlódási erőt. Ehhez ismerjük a test tömegét (m = 10 000 kg), és ismerjük a súrlódási együtthatót a test és az alatta levő felület között (ľ = 0,2) (például két festett fémes felület között). Ezen adatok alapján az alábbi módon kapjuk meg az eredményt:
F S =m⋅g⋅µ (9)
F S = 10 000 kg * 9,81 m/s 2 * 0,2 = 19 620 N
Tehát a testre 19 620 N súrlódási erő hat. Ha ennél nagyobb erőhatás éri a felülettel párhuzamosan, akkor a test elmozdul.
Ha speciálisan kialakított csúszásgátló felületre helyezzük ugyanezt az anyagot, akkor a számítás a következőképpen változhat ( µ = 0,6):
F S =m⋅g⋅µ
F S = 10 000 kg * 9,81 m/s 2 * 0,6 = 68 860 N
Tehát így több mint 3,5-szer akkora erőhatásra van szükség, hogy a test elmozduljon.
Tapadási súrlódási együtthatók
4. táblázat
Forrás: http://nograd.katasztrofavedelem.hu/cms_files/content_68949.pdf
Csúszási súrlódás
Csúszási súrlódás akkor lép fel, ha már egy test mozgásban van. A súrlódás ekkor a testet a továbbhaladásban akadályozza. A csúszási súrlódást úgy határozták meg, hogy a vizsgált testet egy adott sebességen adott felületeken vizsgálták.
Példa
Egy vizsgált test esetében a súrlódási erő F S = 250 N. A súlyerő F G = 500 N.
µ D = F S / F G = 250 N / 500 N = 0,5
A csúszási súrlódási együttható így most 0,5. Ez meglehetősen magas érték. A nagyobb rakománybiztonság érdekében azonban érdemes minél magasabb csúszási súrlódási együtthatóra törekedni.
Csúszási súrlódási együtthatók
5. táblázat
Forrás: http://nograd.katasztrofavedelem.hu/cms_files/content_68949.pdf
Dinamikus hatások a közúti közlekedésben
A közúti közlekedésben általában fellépő erőket az alábbi ábra szemlélteti. Az ábrán például a 0,8-as szorzó a jármű eleje felé azt szemlélteti, hogy a rakomány tömegének 80%-a nehezedhet a rakodótér vezető oldali falára.
Járműre ható erők
12. ábra
Forrás: Kompendium Ladungssicherung, 31. oldal
Fontosabb mértékegység átváltások
1 000 N = 1 kN (kilonewton) 1 kN = 100 daN (dekanewton) 1daN = 10 N 10 km/h = 2,78 m/s 10 m/s = 36 km/h

| Önellenőrző kérdések
1. 1 N az az erő, ...
| amely 1 g tömegű testet 1 m/s sebességre gyorsít fel.
| amely 1 kg tömegű testnél 1 m/s2 gyorsulást eredményez.
| amely 1 kg tömegű testet 1 m/s sebességre gyorsít fel.
| amellyel 1 kg tömegű test az alátámasztást nyomja.
2. A centrifugális erő nagysága
| a test tömegével egyenesen arányos
| az érintő irányú sebességgel egyenesen arányos
| a kanyarodás sugárnak hosszával egyenesen arányos
| az érintő irányú sebességgel fordítottan arányos
3. A mozgási energia nagysága
| a test tömegével egyenesen arányos
| a test sebességével egyenesen arányos
| a test gyorsulásával egyenesen arányos
| a test sebességével fordítottan arányos