Чем рубить дрова. Статьи и доклады на сайте "Физика вокруг нас"

Чем рубить дрова

Кто бывал в деревне, наверно обращал внимание на тот факт, что дрова рубят не обычным топором, а специальным. Такой топор носит название колуна и сильно отличается от обычного. Во первых: колун тяжелее; во вторых: он тупой. Почему же таким инструментом легче колоть дрова, чем обычным топором. Для того, что бы это понять надо разобраться в принципе действия, как колуна, так и топора.

Начнем с обычного топора. Он предназначен в основном для плотницких работ. А плотник очень часто работает, держа топор в одной руке. Очевидно, что если топор будет очень тяжелым, то им попросту будет неудобно работать. Кроме того, назначение топора - при ударе резать древесину. Это будет тем легче делать, чем большее давление будет оказывать лезвие топора на дерево. Это достигается затачиванием, что легко доказать. Как известно из школьного курса физики, давление, производимое на поверхность прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади поверхности

P = F/S.

Таким образом, для того, чтобы давление было большим надо либо приложить большую силу, либо уменьшить площадь соприкосновения. Лезвие топора перед работой хорошо затачивают, то есть уменьшают площадь. В результате даже при небольшом усилии достигается большое давление, и древесина легко режется. И, наконец, последнее, как видно из рисунка 1 при взгляде

на топор сверху он выглядит как узкий клин. Такая форма не случайна, а имеет физическое обоснование. Когда лезвие топора входит в древесину, то часть силы удара расходуется на раздвигание прилежащих слоев (рис. 2). При этом со стороны дерева на топор действует сила упругости, которая в данном случае является силой реакции опоры. Согласно уравнению

F_трения= µ N,

при этом возрастает сила трения. Часть силы удара идет на преодоление этого трения. В результате чего зарубка будет небольшой. А сила упругости, от которой зависит сила трения, прямо пропорциональна смещению

F_{упругости} = kx,

При форме топора в виде узкого клина смещение слоев древесины, прилегающих к лезвию топора, будет небольшим и, следовательно, будет небольшой сила упругости. Трение уменьшиться и топор проникнет в дерево намного дальше. Однако делать топор очень узким нельзя, его лезвие тогда попросту не выдержит удара и сломается. Вернемся обратно к вопросу о массе топора. Существует формула, связывающая импульс тела с силой:

F = p/t,

где p – импульс тела, t – время взаимодействия. Как видно, чем больше импульс, тем больше сила. Импульс свою очередь зависит от массы тела и его скорости

p = mv.

Чем больше масса, тем больше импульс (при одной и той же скорости) и, следовательно, больше сила. Но, как мы говорили выше, здесь массу определяет удобство пользования данным инструментом.

Теперь с этих же позиций рассмотрим принцип действия колуна. Ясно, что дрова рубят двумя руками, поэтому масса колуна может быть больше массы топора (что мы, и имеем в реальности). А раз большая масса, то и больший импульс и, следовательно, больше сила удара. Далее форма колуна – тупой клин, при этом основная сила F будет направлена не в направлении удара, а перпендикулярно граням клина (рис. 3).Смещение древесины x будет большим. Сила действия колуна окажется больше силы сцепления волокон древесины и произойдет раскалывание полена. Кстати когда дрова рубят

на морозе, то работать легче. Это связано с тем, что на холоде вода, находящаяся в полене, замерзает. Образующиеся кристаллики льда сильно уменьшают силы сцепления волокон древесины. Поленья колются гораздо легче. По этой же причине в сильный мороз в лесу трещат деревья. Кристаллики льда просто заставляют древесину трескаться.

Автор: Юрий Руднев

11 класс МОУ Гимназия № 5 г. Юбилейный Московской обл.

Опубликовано: 21 мая 2004 г.

Из доклада "Физика в сельском хозяйстве" на конференции "Физика и научно-технический прогресс"

ЛИТЕРАТУРА

И. В. Савельев “Курс общей физики” т.1, М.: Наука, 1970.
Р. В. Телеснин “Молекулярная физика” М.: Высшая школа, 1973.
Б. М. Яворский, Ю. А. Селезнев “Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и самообразования” М.: Наука, 1982.
“Физика” Энциклопедический словарь школьника М.: Олма-пресс, 2000.
В. А. Михельсон “Физика” т. 1, М.: ОГИЗ, 1939.
Н. И. Корякин, К. Н. Быстров, П. С. Киреев “Краткий справочник по физике” М.: Высшая школа, 1963.
И. А. Чучкалов, С. И. Чучкалов “Основные законы физики” Чебоксары: издательство Чувашского университета