Привыкли руки к топорам

Приделаем теперь к нашему клину ручку — получился топор. Размахиваемся и — раз! — ударяем острием топора по полену. Что происходит? Перед тем моментом, когда острие соприкасается с поленом, топор имеет определенную скорость. Всякое тело, движущееся с данной скоростью, обладает кинетической энергией, равной, как известно, mv2/2 , где m — в нашем случае масса топора, a v — его скорость.

Кинетическая энергия топора превращается в работу по раскалыванию полена. Работа в свою очередь равна преодолеваемой силе, умноженной на расстояние, которое топор проходит в материале полена. Средняя величина силы, как мы уже знаем, зависит от свойств материала полена, от площади острия топора и от угла, под которым сходятся поверхности клина. Этот угол называется углом заточки.

Для нашего топора и нашего полена все эти величины постоянны. Поэтому, приравняв работу к кинетической энергии, мы сразу приходим к выводу, что глубина проникновения топора в полено прямо пропорциональна квадрату скорости, которую имел топор непосредственно перед ударом.

Это наблюдение позволяет нам дать читателю несколько полезных советов. Когда вы колете дрова, не старайтесь ударить сильнее, а попытайтесь придать топору при размахе как можно большую скорость. То же самое справедливо и для забивания гвоздей. Все начинающие столяры обычно держат молоток слишком близко к его металлическому наконечнику. Оно и понятно. Так легче попасть по шляпке гвоздя. Но если бы хотите забивать гвозди быстро и без особых усилий, лучше немного потренироваться,  выработать в себе меткость, а молоток держать за самый кончик ручки.

Присмотритесь внимательно, как движется молоток в вашей руке. Замахиваясь, вы сообщаете ему не прямолинейное, а вращательное движение. Скорость вращательного движения зависит от того, насколько быстро вы поворачиваете руку. А вот линейная скорость наконечника молотка, как известно, пропорциональна вращательной, или угловой, скорости, помноженной на радиус вращения. Следовательно, чем ближе к концу ручки вы держитесь, тем больше радиус вращения, тем больше линейная скорость и кинетическая энергия.

Вернемся, однако, к самому топору. Обсудим такой вопрос: каким должен быть угол при острие клина, или, как мы теперь его называем, угол заточки? Казалось бы, угол заточки всегда следует делать как можно меньше. Действительно, чем меньше угол, тем больше силы давления в нашем случае на материал полена, тем скорее оно расколется.

Все это верно. Но ведь мы имеем дело не с идеальным клином, а с реальным топором. А коли так, то следует учесть хотя бы два дополнительных соображения. Первое связано с прочностью. Конечно, сталь, из которой делают лезвия топоров, значительно прочнее дерева, которое мы своим топором рубим. Однако прочность зависит не только от свойств материала, но и от размера инструмента. Всем хорошо известно, что тонкую иголку, изготовленную из прочной стали, сломать легче, чем толстый гвоздь, сделанный из относительно мягкого железа. А чем меньше угол заточки, тем тоньше лезвие. Поэтому, если будем слишком уменьшать угол заточки топора, он станет совсем тонким. Значит, рано или поздно не полено станет раскалываться, а сломается лезвие топора.

Второе соображение связано с трением. Ясно, что, когда лезвие топора движется в материале полена, между боковыми поверхностями клина и деревом возникают силы трения скольжения. Вспомним, что мы говорили о трении скольжения в первом рассказе. Сила трения пропорциональна давлению, которое оказывают друг на друга трущиеся поверхности, и некой постоянной величине, называемой коэффициентом трения.

Коэффициент трения стали о дерево есть величина постоянная, а вот давление между трущимися поверхностями, как мы убедились, тем больше, чем меньше угол заточки. Уменьшая угол заточки, мы можем в конце концов прийти к тому, что основной силой, которую придется преодолевать при проникновении лезвия топора в полено, окажется сила трения.

Для каждого инструмента и для каждого материала, который предполагается обрабатывать с помощью этого инструмента, существует некоторая наилучшая величина угла заточки. Наверное, вы обращали внимание на то, что у всех инструментов: ножей, топоров, стамесок и лезвий рубанков, предназначенных для работы с таким сравнительно мягким материалом, как дерево, угол заточки невелик. А у инструментов, предназначенных для работы с твердым материалом, например металлом или камнем, угол заточки большой.

Вообще трение между поверхностями режущего инструмента и обрабатываемого материала — фактор очень серьезный. Мы частенько говорим: «Вошел легко, как нож в масло». Действительно, тому, чей опыт в этом смысле ограничивается обеденным столом, представляется, что нет ничего легче, как разрезать ножом кусок масла.

. Попробуйте, однако, разрезать ножом на две части кусок сливочного масла, который представляет собой куб со стороной, скажем, полметра. Именно с такой проблемой постоянно сталкиваются работники продовольственных магазинов. Оказывается, подобная задача практически неразрешима. Во всяком случае, для ее разрешения недостаточно возможностей одного, даже очень сильного человека, каким бы острым ни «был нож.

Причина здесь состоит как раз в том, что, хотя острие ножа входит в масло почти без усилий, сила трения масла о боковые поверхности ножа оказывается чрезвычайно большой (и это для масла — того самого масля, которое повсеместно используется именно для уменьшения силы трения!).

Наблюдательные читатели, наверное, замечали, что в продовольственных магазинах большие куски масла и сыра режут не ножом, а тонкой стальной струной, к концам которой приделаны две ручки. Пусть площадь, по которой соприкасаются поверхности струны и масла, больше, чем в случае острия ножа, зато трение меньше. И струна, действительно, входит легко, «как нож в масло».

Вообще процессы, возникающие при обработке различных материалов острыми инструментами, чрезвычайно сложны. Например, в результате трения повышается температура инструмента, что опять-таки сказывается на его прочности. И еще: при обработке под действием огромных давлений между поверхностями соприкосновения режущего инструмента и обрабатываемого металла металл плавится или хотя бы размягчается точно так же, как плавится лед под лезвием конька.

Все эти процессы изучаются специальной наукой, которая так и называется — теория резания. Наука эта появилась сравнительно недавно, и до сих пор в ней есть много нерешенных вопросов. Снова мы сталкиваемся с поразительным обстоятельством. Человек изобрел нож и топор по меньшей мере несколько сот тысячелетий тому назад, а вот объяснить до конца, как работают эти простейшие инструменты, не сумел до сих пор.