Теннисные струны хотя и являются составной частью конструкции ракетки, но имеют много своих собственных характеристик, большинство которых может быть рассмотрено отдельно, вне связи с ракеткой. Главные параметры струн, являющиеся базовыми при их производстве, —_ это эластичность и прочность. Вообще-то производство синтетических струн и ракеток имеет много общего. У них общий исходный материал для изготовления — углеродосодержащие волокна, которые подвергаются длинной технологической обработке, причем в процессе этой обработки от волокон, идущих на изготовление ракеток, добиваются максимальной прочности, а от волокон, идущих на изготовление струн — максимальной эластичности. Как было пояснено в главе о материале ракеток, для того чтобы добиться от углеродосодержащих волокон максимальной прочности из них удаляют почти все посторонние включения. Тогда углерод кристаллизуется в графит, передавая при этом волокну все свои прочностные показатели. При производстве же струн, наоборот, в углеродные молекулы вставляют различные цепочки из других элементов. Они-то и придают волокну эластичность. В зависимости от состава этих включений, их количества и комбинаций в углеродном волокне получаются различные исходные материалы для струн. Так полиамидные включения дают нейлон, арамидные включения — кевлар; полиэтиленовые цепочки смешанные с ароматическими — полиэстер; ароматические цепочки — материал Zyex. Понятно, что эти исходные материалы обладают разными параметрами эластичности и прочности. Из них уже можно изготавливать струны, но, как известно, монолитные струны обладают некоторыми недостатками, главным из которых является ломкость при изгибе. Поэтому из исходных материалов делают только тонкие нити, которые затем сплетают в различных сочетаниях, склеивают смолой, покрывают слоями из синтетических пленок и получают струны. Конечно же параметры полученных таким способом струн зависят не только от исходного материала, но и от технологии их изготовления, то есть от наличия основного волокна (ядра), количества скручиваемых нитей в струне, угла скручивания, типа склеивающей смолы, количества и материала слоев покрытий. Если подсчитать число сочетаний из всех этих технологий по количеству исходных материалов, то получится цифра с несколькими нулями. Вот почему мы наблюдаем такое разнообразие композиционных струн (соответственно, их качеств и цен) при весьма ограниченном наборе исходных материалов для их производства (не более четырех).
К этому громадному разнообразию синтетических струн необходимо прибавить еще и струны из естественных исходных материалов (natural gut), в качестве которых служат кишки домашних животных (в основном, коров). Процесс изготовления следующий: серозные оболочки тонких кишок, отличающиеся прочностью и эластичностью, разрезают на несколько длинных полос, которые сплетают в один жгут. Затем этот жгут высушивают, полируют и покрывают слоем (или слоями) из синтетической пленки, из-за наличия которых натуральные струны тоже можно отнести к классу композиционных. В советские времена такие струны называли кетгутом (термин спорный, т.к. кетгутом принято называть хирургические нити). Теперь в СНГ натуральные струны не производят (по непонятным причинам; возможно, более выгодно использовать кишки в колбасном производстве), а иностранные производители продают их по очень высокой цене и обозначают их «natural gut» (не путать с «synthetic gut»). Надо заметить, что профессиональные теннисисты предпочитают кетгут из-за его особых свойств, отличных от свойств синтетических струн. Свойства кетгута рассмотрим совместно со свойствами обычных синтетических струн, к чему сейчас и приступим.
Будем рассматривать только монолитные струны (за исключением кетгута, конечно), так как всякие составные (композиционные) струны из-за влияния технологии их изготовления так изменяют свои свойства, что становиться не ясным, то ли это свойство материала струны, то ли это свойство, получившееся в результате технологии изготовления струны. Для исключения влияния толщины струн при их сравнении будем рассматривать удельные величины параметров, то есть на единицу площади поперечного сечения струны (в отдельных случаях будем сравнивать струны одного диаметра). Надо заметить, что производители струн не предоставляют покупателям информацию о технологии производства струн (это коммерческая тайна), зачастую не обозначается даже материал струны, а вместо диаметра пишется т.н. калибр (gauge). Для перехода от gauge к диаметру в миллиметрах можно использовать таблицу 3.1.
Таблица 3.1
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Т.к. технология изготовления струн из базовых материалов (нейлон, полиэстер и кевлар) может значительно изменить свойства конечного продукта, то не имеет смысла детально рассматривать весь набор физических и прочностных характеристик базовых материалов, необходимо остановиться только на их основных («фамильных») качествах, а детально рассматривать поведение струн, когда они натянуты на ракетку и находятся в рабочем состоянии, т.е. представляют струнную поверхность ракетки (СПР).
Первой и самой понятной характеристикой струны является ее прочность на разрыв, то есть величина нормированной силы (на единицу площади поперечного сечения) при которой струна рвется. Данные, взятые из разных источников, представлены в таблице 3.2 (в правой стороне для сравнения приведены аналогичные характеристики стали, резины и углеволокна ракеток).
Таблица 3.2
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Замечания к таблице:
- В таблице приведены усредненные цифры для монолитных струн, т.е. когда струна целиком изготовлена из названного материала (в зависимости от изготовителя струн разброс параметров может достигать 20%).
- Хотя эти данные и дают некоторое представление о прочности струн, однако струны чаще рвутся не от усилий растяжения, а от перетирания, но приводить данные по характеристикам износостойкости рассматриваемых материалов тоже не имеет смысла, так как струны в процессе изготовления покрываются различными абразивоустойчивыми покрытиями, которые, в конечном счете, и определяют их стойкость к перетиранию.
- В данной таблице приведены модули Юнга Е исследуемых материалов. Читателей не должно смущать одинаковые единицы измерения удельной силы разрыва и модуля Юнга. Просто при определении последнего удельная сила F/S (S — поперечное сечение струны) делится на безразмерную величину — коэффициент удлинения материала при приложении к нему данной силы, который равен отношению приращения длины струны к ее начальной длине AL/L. Естественно, чем меньше A L, тем выше модуль Юнга.
(3.1)
- Коэффициент Пуассона — это отношение уменьшения диаметра струны к приращению длины под усилием растяжки.
- Продольная жесткость отрезка струны к = F/AL вычислялась с помощью известного закона Гука AL/L = F/ES, к = ES/L для струны длинной 30 см и площадью сечения S = 1,5 кв.мм. Динамическая жесткость отрезка струны kd взята из [2].
О чем говорят эти данные? Только о том, что синтетические струны весьма прочные и могут выдерживать тройные усилия натяжки современных ракеток, то есть превышающие 90кг/ кв.мм. Единственный материал, который не удовлетворяет этим требованиям, это Zyex, поэтому мы не будем его анализировать. Конечно же, главным параметром струн является не прочность на разрыв (хотя и она важна), а эластичность, за которую идет упорная борьба разработчиков и производителей. Для того чтобы понять, что скрывается под термином «эластичность», давайте обратимся к такому нелюбимому всеми студентами мира предмету как сопромат, называемому ими не иначе как «сопромуть». Согласно теории сопромата все вещества в природе под воздействием напряжений проявляют свойства упругости и пластичности. Свойство упругости — это способность твердого вещества полностью восстанавливать свое первоначальное состояние после снятия напряжения. Пластичность же — это свойство материала изменять свою форму под воздействием напряжения и не возвращаться в прежнее состояние после прекращения действия напряжения. Так вот, эластичность струн заключается в том, что под воздействием растягивающего усилия они удлиняются, а после снятия его возвращаются почти к первоначальной длине. Если бы не было этого «почти», то струны были бы абсолютно упругим материалом.
Как определить степень пластичности струн? Если мы возьмем струну длиной 100 см и подвесим к ней груз в 50кг, то она удлинится (допустим, на 10 см). После снятия усилия струна примет какую-то длину, скажем, 102 см. Следовательно, данная струна удлиняется под воздействием усилия в 50кг на 10%, причем 8% составляет упругость, а 2% — пластичность. Таким образом AUL — ALy/L + ALn/L, где ALy/L — относительное удлинение упругой составляющей струны при данном усилии растяжения, a ALn/L — относительное удлинение пластической составляющей струны при данном усилии растяжения.
Кажется эти проценты (или их соотношение ALy/ALn) и можно было бы отнести к параметрам данной струны, предварительно нормировав усилие на единицу площади ее поперечного сечения. Но не все так просто в этом сложном мире. Оказывается, удлинение сильно зависит от длительности приложенного усилия, то есть с увеличением длительности дейсп ия усилия процент, обусловленный пластичностью, значительно увеличивается, причем нелинейно. И все это еще зависит от температуры окружающей среды, влажности, давления, скорости изменения нагрузки и т.д. и т.п. Поэтому казалось бы простой вопрос измерения и паспортизации эластичности струн превращается в достаточно сложную проблему, теоретически не решенную до настоящего времени. А когда нет объективных критериев точной оценки физических параметров какого-либо предмета или процесса, то вступают в силу т.н. психофизические параметры (иначе говоря, параметры оценивают по ощущению). Тогда и появляются такие выражения как «струны умерли» или «струны хорошо чувствуют мяч», «мягкое ощущение в руке», «хороший контроль мяча» и т.п. Большинство этих качеств, декларируемых фирмами-про- изводителями, как говорится, «от лукавого». Если вес человека измеряется весьма точно на весах, то психофизические понятие «худой» или «полный» имеет вполне определенный числовой показатель. Теннисисты же, не имея цифрового эквивалента эластичности струн, оценивают их по ощущению (feel).
Попытаемся как-то связать эти ощущения с физическими характеристиками основных материалов струн. Продолжим эксперимент с подвешенным к струне грузом, рассмотренный выше. Если произвести измерение длины струны после десятиминутного висения груза, то ее длина увеличится еще на некоторую величину, через 20 минут ее длина будет порядка 13 см., через час — 13,5 см., через сутки 13, 7 см. Далее прирост будет уменьшатся и уменьшатся. Если в какой-либо из этих моментов мы отвяжем груз от струны то ее длина сократится приблизительно на 8%. Это говорит о том, что упругая составляющая струны при данном усилии растяжки практически не изменяется с временем (A Ly/L = const), в то время как пластическая составляющая монотонно растет, причем по закону близкому к экспоненциальному. Конечно же, данные цифры будут зависеть от материала струны, но, в общем, характер поведения струн под нагрузкой будет одинаков для всех материалов (в том числе и для кетгута, и для композицион-
ных струн). Физически этот феномен объясняют так: упругая составляющая струны определяется вытягиванием (и, соответственно, восстановлением при снятии нагрузки) цепочек полимерных молекул, а пластическая составляющая — их скольжением друг относительно друга при растягивании струны. Иногда говорят, что упругость определяется кристаллической составляющей струны, а пластичность — аморфной.
Следствием этого «беспредела» струн является то, что их параметры (все без исключения) измеряются при определенных скоростях приложенной силы и определенном времени наблюдения (не превышающем 5 сек). При уменьшении скорости роста приложенной к струнам силы или/и увеличении времени наблюдения параметры начнут «ползти», т.е. изменять свои значения.
Однако все эти теоретические построения мало интересуют теннисистов и стрингеров. Им нужно знать поведение струн на ракетке, например, насколько падает со временем натяжка и абсолютные величины этого падения; как СПР реагирует на импульсные (ударные) нагрузки и, соответственно, числовые характеристики ее упругости (жесткости).
Так как усилие натяжения струн на ракетке падает исключительно по «вине» пластической деформации, то кривую падения натяжения можно аппроксимировать той же экспонентой, что и пластическую деформацию растяжения. Тогда относительная величина падения натяжения струн на ракетке (AF/Fh) запишется следующим образом:
)
где: N = AFmax/FH — максимально возможное относительное падение натяжения данной струны при данном начальном усилии растяжения Рн и t = ■»;
т- постоянная времени данной струны, т.е время, за которое падение натяжения данной струны при данном начальном усилии растяжения Fh достигнет 90% максимально возможного падения натяжения N;
AF — падения усилия натяжения струны на ракетке за время t.
В таблице 3.3 приводятся значения параметров N (в процентах) для монолитных струн из основных материалов диметром 1.38 мм.
Таблица 3.3
|
Замечания по таблице.
- Величины, представленные в таблице измерены для типичных значений Fh = 28кг, L = 30 см, t »т.
- Величины имеют разброс плюс-минус 20% в зависимости от производителя струн. Для композиционных струн разброс может достигать плюс-минус 50%.
- Кетгут имеет наименьшую величину N = &Fmax/FH из всех струн, поэтому струны из него имеет наименьшую пластическую составляющую, то есть не сильно «ползут» со временем. А так как кетгут имеет и самый низкий модуль Юнга (см. табл.3.2), то, следовательно, при импульсных нагрузках (удары по мячу) натуральные струны растягиваются больше синтетических, обеспечивая наивысшую из всех струн упругую составляющую растяжения — источник хорошего ощущения при ударах. Правда, есть разновидности кевлара, которые вытягиваются меньше кетгута, но они имеют настолько высокий модуль Юнга, что практически не растягиваются при ударах по мячу (ощущение удара доской), поэтому из-за своей большой жесткости не годятся для струн.
Теперь перейдем к изучению свойств СПР.
