Как было обещано амиго ДусТТу, давайте разберемся, чем так хорош штопор Zig Zag среди прочих конструкций.
Если внешнюю эстетику можно оценить и так, то до инженерной нужно докопаться. Чем я и занялся. Так что вам предлагается увлекательное путешествие в механику вещи.
Для начала нужно заметить, что до совершенной во всех смыслах конструкции тоже дошли не сразу.
Что должно отличать совершенный штопор? Отсутствие необходимости прикладывать значительное усилие. Потому как не все обладают большой силой и крепкими пальцами. Да и приложение значительного усилия портит эстетику процесса. На тот момент уже было достаточное количество конструкций штопоров с облегчением усилия. Но либо это был неуклюжий рычаг, либо подвижную часть нужно было прокручивать с усилием, что не давало решения целевой задачи. Кому в голову пришла светлая мысль отзеркалить конструкцию рычага, история умалчивает, но начало конструкции было положено:
Хоть и получилась не самая изящная конструкция, но облегчение усилия раза в 3 она уже давала.
Следующим шагом была совершенно здравая и логичная мысль, что если одно рычажное звено помогло, то почему бы не добавить второе:
Добавление третьего звена не заставило себя ждать:
Осталось разобраться - какой прирост дает каждое звено. Вопрос оказался не праздный. Несколько технарей разных профессий, включая меня, обломались на симметрии конструкции. Меня хватило на упрощенную кинематическую схему первого звена. И всё равно я затупил - как совмещать симметричные цепочки было непонятно. В результате прикидок даже на первом звене было непонятно, какой всё таки прирост усилия возникает. Математические прикидки по полному ходу конструкции картины также не прояснили. Получалось, что прирост усиления линейный. Можно было бы на этом успокоиться, но поиски расчётов для конструкции типа "гармошка" привели к современным заклёпочникам. У них у ВСЕХ оказалось три звена (или четыре, если считать первую полупару):
Это уже было интересно. Почему все остановились на 3-х звеньях. Эстетика вопроса уже не интересовала. Тут была явно техническая причина. Подумав, что если готового решения нет, то может есть инструмент, позволяющий составить такую конструкцию и всё выяснить. Программ, которые позволяют это сделать существует большое количество. Но все они требуют достаточно приличного уровня вхождения.
Разбираться в серьезном софте только по такому поводу не было ни времени, ни желания. Меня начало настигать уныние, что просто так, с наскока, эту загадку не разгадать. Попробовал пойти другим путем - поискать описания построения кинематических схем, чтобы освежить свои знания по этому поводу и "дожать" тему. Нашёл просчет довольно простой конструкции от этого стало еще печальнее. Всё-таки я получил высшее математическое образование и всё, что касалось физики - давалось в усеченно-упрощенном варианте. Погрустив над описанием дисциплин, прошедших мимо меня (к счастью т.к. меня грузили другими) стал задумываться над экспериментом. Построить аналогичную конструкцию в принципе несложно. Вопрос решался одним школьным металлическим конструктором и парой безменов. Но это тоже расходы. Коллега по работе подсказал светлую мысль - сварганить конструкцию из линеек. Дешево и сердито. А для эксперимента другого не надо. Цена вопроса оказалась 115 рублей (5 сорокасантиметровых деревянных линеек). Вопрос, чем заменить безмены пока не рассматривался. Внутренний голос тактично молчал т.к. уже знал правильный ответ на этот вопрос. Просто в нужный момент всплыло воспоминание устройства пружинных динамометров в школьно кабинете физики. Для этого под нож (точнее под бокорезы) пошёл один из блокнотов.
В результате в течение получаса неспешного труда получилась испытательная конструкция для первого полузвена (или если угондно - нулевого):
На увеличенном фото красными точками отмечены закрепленные точки, а синими подвижные соединения:
Сама по себе эта конструкция никакого смысла не имеет. Она понадобилась, чтобы оценить насколько можно растягивать импровизированные пружинные динамометры не уходя из зоны упругой деформации т.е. после снятия усилия пружина должна возвращаться в исходное положение. Несмотря на довольно мягкую пружину блокнота, она всё таки позволяла такое растяжение вплоть до 3-4 см. Этого мне было вполне достаточно. Кроме того, нужно было убедиться, что трением конструкции в данном случае можно пренебречь.
Чтобы было понятно нетехнарям, поясняю. Первый динамометр имитирует пробку. Точнее усилие, с которым её нужно тащить. Второй усилие, которое придется приложить рукой, чтобы вытащить пробку. В данном случае оба динамометра приложены к одной точке, поэтому эта часть конструкции никакого прироста силы не дает.
После калибровки на обоих динамометрах были выбраны точки, по которым удобно фиксировать положение и помечены начальные положения:
Соответственно, проверка одинаковости растяжения:
Первые проверки пройдены. Можно двигаться дальше. Добавляем первое полное звено:
Начинаем растягивать конструкцию, пока на левом динамометре не зафиксируем растяжение на 1 см. При этом правый динамометр показывает всего 5 мм:
Продолжаем растягивать конструкцию до показаний правого динамометра на 1 см. Левый при этом показывает уже 2 см:
Уменьшение усилия в 2 раза мы получили. В принципе этого следовало ожидать. Но одно дело предположить, а другое - получить факт. Наращиваем конструкцию еще на одно звено:
Начинаем растягивать конструкцию. Левый динамометр показывает 1 см. Правый ползёт нехотя. На 2 см левого, правый показывает 5 мм:
Прирост увеличения усилия еще раз удвоился. Т.е. с такой конструкцией мы получаем увеличение усилия в 4 раза. Но и тащить при этом придётся в 4 раза больше. Золотого правила механики никто не отменял.
Наращиваем конструкцию еще на одно звено:
Наступает момент истины т.к. у нас получился полный аналог конструкции штопора Zig Zag. Начинаем растягивать конструкцию. Левый динамометр проползает отметку 1 см, 2 см, 3 см. На четвертом сантиметре правый динамометр доползает до 5 мм:
Ура! Увеличение усилия в 8 раз. Дальнейшее наращивание звеньев в случае штопора уже нецелесообразно. В принципе, и четырехкратного усиления вполне было бы достаточно, если бы не изумительная "мягкость хода" последнего варианта. Она ощущается даже на такой имитации. В этом и заключается эстетика инженерного решения. Сделать не просто достаточно, а столько, чтобы пользоваться штопором было приятно до невозможного.
P.S. Возвращаясь к заклепочнику. В отличие от пробки там требования жестче, Но решено вполне изящно (насколько это слово вообще может быть применимо к такой конструкции) - без удлинения гармошки на первом полузвене сделан обычный рычаг, который соответствующий прирост (разница расстояний до пунктирной линии от одной и другой точек крепления):
В данном случае разница плеч больше 8 раз. И в 8 раз три звена гармошки. Увеличение усилия с рукоятки больше, чем в 50 раз.