Почему скручивание пробки облегчает ее выемку из бутылки?

Когда пробка застревает и стоит неподвижно, причиной ее фиксации является трение статического электричества.

Как только пробка движется — в любом направлении — статическое трение сменяется кинетическим трением.

кинетическое трение,$f_k=\mu_k n$, обычно ниже, чем максимальное статическое трение,$f_s\leq \mu_s n$(поскольку коэффициент кинетического трения обычно меньше коэффициента статического трения,$\mu_k<\mu_s$), и поэтому всякий раз, когда вы хотите переместить что-то застрявшее, постарайтесь заставить его крутиться, поворачиваться и двигаться, прежде чем вытаскивать его.

^{Некоторые комментаторы и комментаторы обратили мое внимание на то, что приведенного выше ответа недостаточно, и ниже я добавил недостающую половину, охватывающую вопрос о кредитном плече.}

Естественно, вращать пробку, а затем вытаскивать ее — это только хороший трюк, если преодолеть статическое трение, чтобы заставить ее вращаться, легче, чем преодолеть статическое трение, вытягивая ее прямо наружу. Как упоминается в комментариях, это действительно может быть проще благодаря кредитному плечу:

• Чтобы вытащить его прямо, требуется сила,$F_{pull}$, прилагаемое вашей рукой, чтобы соответствовать и преодолевать статическое трение,$f_s$, полностью, один к одному. Затем вы напрямую боретесь с 1-м законом Ньютона и должны приложить силу:

  $$\sum F > 0\quad\Leftrightarrow\quad F_{you}-f_s>0 \quad\Leftrightarrow\quad F_{pull}>f_s$$ ^{Могут быть и другие факторы, способствующие необходимой силе, такие как давление в бутылке, на которое указывает другой ответ.}

• Повернуть пробку можно, приложив усилие к дальним концам ручки штопора/винного штопора. Эта сила создает крутящий момент,$\tau$, и чем дальше,$r$, из центра приложена сила (чем больше рычаг), тем больше становится крутящий момент:

  $$\tau=F_{you}r_{handle}.$$ Этот крутящий момент, в свою очередь, вызывает поперечную силу,$F_{cork}$, против статических сил трения на периферии пробки. До тех пор, пока рукоятка инструмента допускает большее усилие, чем радиус самой пробки,$r_{handle}>r_{cork}$, то вы можете с меньшим усилием на рукоятке создать достаточное усилие на периферии пробки: $$\tau=F_{you}r_{handle}\quad\text{ and }\quad \tau=F_{cork}r_{cork}\quad\Leftrightarrow\\ F_{you}r_{handle}=F_{cork}r_{cork}\quad\Leftrightarrow\quad F_{you}=F_{cork}\frac{r_{cork}}{r_{handle}}.$$ Поскольку теперь это новая сила,$F_{cork}$, который должен преодолевать статическое трение,$F_{cork}>f_s$, а не собственная сила тяги, а так как сила скручивания,$F_{you}$, которое вы подаете, меньше, чем$F_{you}<F_{cork}$, то гораздо легче заставить пробку вращаться и тем самым преодолеть статическое трение, а затем приложить последующую тянущую силу, которая легче преодолевает меньшее кинетическое трение.

Как сказал Стивен, кинетическое трение представляет собой меньшую силу, чем статическое трение. Как только пробка движется в любом направлении, легче двигаться в нужном вам направлении.

Как сказала Анна В., могут быть разорваны связи, облегчающие движение во второй раз после того, как оно сдвинулось один раз.

Так почему же вращение легче, чем продольное движение? Подумайте об отвертке. Рукоятка большого диаметра позволяет прикладывать к винту большой крутящий момент. То есть малые силы на большом расстоянии от оси действуют на большие силы на небольшом расстоянии. Так что большая ручка на штопоре помогает.

Позвольте мне сделать снимок:

Пробка образовала химическую связь со стеклом. Они одинаковы для всех dS поверхности пробки: разница в том, что при вращении пробки из-за кругового движения маленькое d(тета) отклеивает поверхность, силы сопротивления не складываются (разные направления). В осевом направлении поверхность непрерывна, а необходимые силы складываются. Как только она отклеивается, осевая сила становится эффективной, потому что требуется время, чтобы образовались связи между пробкой и бутылкой.

Его все углы и геометрия тела.

Так что, очевидно, пробку можно вытащить прямо. Вот что делают штопоры. Итак, мы знаем, что пробка может выдержать нагрузку от вытягивания или вращения. Он должен быть в руках.

Если вы вытаскиваете пробку, подумайте о том, какие мышцы вы используете. Вы должны использовать мышцы плеча и предплечья. Посмотрите на рычаги, которые у вас есть. Немного. Сравните это с вращением пробки. Если вы вращаете пробку, это вращение вокруг очень маленькой оси, и ваше тело спроектировано таким образом, чтобы иметь возможность зажимать и направлять всю свою мышечную силу на создание этого крутящего момента. Просто прикинув, пробка имеет радиус около 12 мм, а человеческая рука около 600 мм, поэтому у вас есть примерно 60-кратное механическое преимущество при повороте.

Как только он повернется, это доходит до ответа Стивена. Поворот означает, что мы больше не имеем дело со статическим трением пробки о стекло. Мы имеем дело только с его кинетическим трением. Обычно это намного ниже, поэтому теперь гораздо проще использовать эти большие мышцы в осевом направлении.

tl;dr — если скрутить внутреннюю часть пробки, ее можно сжать, и ее будет легче извлечь. Тот же метод используется с поролоновыми берушами .

Скручивание делает пробку меньше.

Материалы имеют тенденцию сжиматься при внутреннем скручивании.

Примеры:

1. Пенные беруши.
   Пенные затычки для ушей — это в основном то же самое, что и пробки, в том смысле, что они представляют собой пробки, сделанные из несколько сжимаемого материала. Чтобы вставить такие беруши , их сворачивают в более плотную форму, которая сжимает их. Тогда они могут попасть в ухо.

2. Вилка в спагетти.
   Чтобы съесть спагетти, люди часто вставляют вилку и крутят ее. Это приводит к тому, что спагетти затягиваются вокруг вилки, что облегчает их захват.

3. Сушка ткани.
   Скажем, полотенце или другая ткань мокрая. Затем кто-то может сильно скрутить материал, чтобы сжать его, вытеснив воду внутри.

4. Вдевание иглы.
   На иголках есть небольшие отверстия, через которые проходит нить. Но потрепанная нить может быть слишком большой, чтобы влезть внутрь; поэтому кто-то может скрутить нить, чтобы уплотнить ее, что значительно облегчит продевание нити в иглу.

Таким образом, если кто-то крутит пробку, это может помочь сжать ее.

Интересный вопрос. Вот как бы я это объяснил -

Важно отметить, что НЕ обязательно тянуть при закручивании пробки, если у вас есть подходящие открыватели, использующие рычаги, то это, вероятно, лучший и самый простой способ сделать это.

Таким образом, на этот вопрос можно ответить только в контексте отсутствия соответствующих инструментов. Чтобы быть точным в ответе, давайте выберем такой инструмент, самый распространенный способ - использовать плоский маленький нож и проткнуть пробку, а затем медленно потянуть ее, вращая.

Разбив эту проблему на все рабочие компоненты, мы имеем,

1. Нож, который используется как нож
2. пробка
3. Человеческая мышца, обеспечивающая необходимую силу
4. Горлышко бутылки соприкасается с пробкой

Так ПОЧЕМУ ВРАЩЕНИЕ ПРИ ТЯГЕ ОБЛЕГЧАЕТ ЖИЗНЬ?

1. В контексте используемого вами инструмента -

Как уже упоминалось, в отличие от бутылочных крышек (на которых есть резьба), вращать пробку, чтобы открыть ее, не обязательно. Но хотите ли вы повернуть его, во многом зависит от используемого вами инструмента. В нашем случае мы используем нож. Теперь вы можете довольно хорошо видеть, что произойдет, если я просто потяну его. Нож выйдет так же, как и вошел, что означает, что на ноже нет крючка или захвата, кроме трения между поверхностью ножа и пробкой, чтобы удерживать пробку во время ее извлечения. Таким образом, единственный способ - медленно тянуть систему, используя вращательное движение.

Что дает вращение? Среди прочего, что обсуждается ниже, это создает более высокое давление между поверхностью ножа и пробкой (вы, по сути, сильно прижимаете поверхность ножа к пробке), следовательно, УВЕЛИЧИВАЕТ ТРЕНИЕ. Теперь, когда мы увеличили трение, мы можем использовать больше силы, чем это было бы возможно, если бы мы не вращались.

2. Пробка -

Пробка свежесрезанная (это означает, что она, скорее всего, используется впервые), поэтому поверхность обычно очень шероховатая. На самом деле это основная причина, по которой вы не можете использовать пробку несколько раз без протечек. Когда вы вращаетесь, вы, по сути, делаете то же самое, что и шлифовальный станок. Вы шлифуете и полируете поверхность пробки, соприкасающуюся с бутылкой. Теперь известно, что гладкие поверхности легче перемещаются по сравнению с шероховатыми поверхностями (по сути, это причина, по которой автомобильные шины имеют различный рисунок, а не лысые).

3. Физиологическая сторона этого -

Вы применяете силу человеческими руками, и любое обсуждение того же было бы неполным без их рассмотрения. Можно легко убедиться, что вращение запястья очень отличается от подтягивания руки к себе, а это означает, что задействованные мышцы различны в обоих контекстах (проверьте это сами, попробовав вращать запястье, а затем потянув что-то, все время чувствуя, что мышцы напряжены)
Поскольку мы задействуем различные мышцы в комбинации, естественно, легче вращаться и тянуть, чем просто тянуть.

4. Горлышко бутылки -

Обратите внимание, что горлышко бутылки почти всегда шире снаружи, чем внутри (поэтому и пробки имеют одинаковую форму). По сути, это помогает перенаправить нормальную силу от пробки немного наружу (реакция перпендикулярна поверхности, и поверхность здесь включена). Следовательно, в неопределенном смысле вы, по сути, используете вращательное движение для создания восходящей силы, в отличие от обычной ситуации, когда все (крутящий момент, движение и т. д.) во вращательном движении перпендикулярно осевому движению.

Пункт 4 также можно применить, чтобы сказать, что вращательное движение существенно изменяет статическое трение (из-за химической связи, как объяснено в другом ответе @annav) на кинетическое трение, которое остается кинетическим в осевом направлении, несмотря на отсутствие движения вдоль оси (уточнение ответа @steeven).

Начальный шаг скручивания эргономически проще, чем начальное тяговое усилие, необходимое для того, чтобы пробка двигалась. Для этого нужно преодолеть статическое трение между пробкой и стеклом. Также могут быть силы Ван-дер-Ваальса, которые необходимо разрушить до того, как пробка начнет двигаться. Как только пробка движется, трение уменьшается, и ее можно вытащить. Обратите внимание, что механические устройства не крутятся, а просто тянутся.

Почему скручивание пробки облегчает ее выемку из бутылки?

Когда вы прикладываете осевую силу и, возможно, крутящий момент к пробке (и, напротив, к бутылке), вы создаете состояние касательного напряжения между пробкой и горлышком бутылки.

С$A$область контакта,$N$осевая сила и$W$крутящий момент, продольная составляющая$\tau_{rz}=N/A$а тангенциальная составляющая$\tau_{r\phi}=W/(rA)$,$r$являющийся внутренним радиусом шеи.

Потому что пробка начинает двигаться, когда равнодействующая касательного напряжения между пробкой и горлышком бутылки

превышает связь трения, вы можете понять, что приложение крутящего момента (скручивание пробки) уменьшает осевую силу$N$что вам нужно приложить усилия.

Установив, что приложение крутящего момента уменьшает$N$необходимо, чтобы начать движение пробки, когда пробка начинает двигаться, все идет вниз, потому что коэффициент трения разный (статическое и динамическое трение), а также поверхность контакта постоянно уменьшается.