РУЧНОЙ ЗЕМЛЕДЕЛЬЧЕСКИЙ ИНВЕНТАРЬ

РУЧНОЙ ЗЕМЛЕДЕЛЬЧЕСКИЙ ИНВЕНТАРЬ, простейшие приспособления для выполнения различных с.-х. работ, весьма разнообразны в зависимости от назначения.

В рабочем виде ручные орудия представляют собой одно твёрдое тело, состоящее из одной, двух (напр., боёк и рукоятка) и лишь немногие - более чем из двух составных частей, неподвижно соединённых между собой. Исключение представляет цеп, состоящий из двух жёстких частей, связанных гибкой связью. Ручные орудия никаких механизмов или кинематических пар в своём составе не имеют, а если имеют, то таковые в работе ручного орудия не участвуют, а имеют лишь вспомогательное значение, подобно, напр., шарниру, соединяющему полотно складного ножа с ручкой. Понятие ручного орудия близко к понятию ручного инструмента. В нек-рых случаях эти два понятия совпадают. Так, напр., топор в плотничном деле является инструментом, а в с. х-ве - орудием. Номенклатура главнейших ручных с.-х. орудий общеизвестна. Из них одни работают посредством приложения к ним влекущего (напр., серпы), толкающего (напр., скребки) или несущего (напр., косы) усилия одной или обеих рук человека, иногда - с добавлением усилия одной ноги, передающей на орудие часть веса человеческого тела (напр., заступ). Другие, ударные ручные орудия работают за счёт кинетической энергии, накапливающейся в них к моменту удара вследствие сообщения им (руками человека) скорости в подготовительные моменты рабочего цикла. Таковы, напр., топоры, мотыги и другие. Рабочий цикл большинства ручных с.-х. орудий состоит из нескольких различных последовательных воздействий руки или рук человека. Напр., лопата требует сначала толкающего усилия (при набирании на неё сыпучего тела, напр. зерна), а затем - несущего.

Сложившиеся к наст. времени конструкции ручных с.-х. орудий выработались эмпирическим путём в течение долгих веков, и многие виды ручных орудий достигли высокой степени рациональности по своим механическим свойствам и в смысле приспособленности к выполняемой ими задаче. Ручные ударные орудия (мотыги, кирки, топоры) изучены лучше других. Акад. В. П. Горячкин разработал их теорию на основе теории физического маятника.

Если сила удара топора (рис. 1) по упругому телу есть р кг, то со стороны этого тела на топор в момент удара кратковременно действует равная и противоположная силе р сила реакции - р. Если по правилам механики перенести силу - р в центр тяжести топора О, приложив в точке О две равные и противоположные силы р и - р, отчего действие силы р не изменяется, то обнаруживается сила - р, проходящая через центр тяжести О топора и пара - pp. Ударное действие силы - р измеряется импульсом рΔt, где Δt - продолжительность удара.

Рис. 1

Рис. 2

Под действием импульса pΔt топор, а следовательно, и все его точки приобретают равные и параллельные скорости v, так как рΔt=mv (рис. 2), где т - масса топора. Очевидно, что эти скорости v перпендикулярны нормали ОА, опущенной из центра тяжести О на направление, силы р. Момент пары сил - рр, действующих импульсивно (ударно), равен spt. Эта пара в то же время сообщает топору угловую скорость w согласно уравнению spΔt=l₀ω, заставляя его с этой угловой скоростью вращаться около центра тяжести О. Вследствие вращения около центра тяжести О в направлении, указанном на рис. 2 стрелкой, различные точки топора приобретают линейные скорости вращения, прямо пропорциональные расстоянию от центра тяжести О. Поэтому на продолжении прямой АО на нек-ром расстоянии S¹ от центра тяжести О всегда должна оказаться такая точка С, линейная скорость вращения к-рой оS1 равна и противоположна скорости поступательного движения v. Эта точка в момент удара остаётся в пространстве неподвижной, рука работающего в этой точке не испытывает "отдачи", тогда как во всех других точках удары передаются в руку работающего топором. Поэтому хорошее орудие д. б. устроено так, чтобы точка С находилась на рукоятке, в противном случае работа орудием утомительна и неудобна. Этим объясняется изогнутая форма топорища в плотничном топоре, а в случае прямой рукоятки (в колунах, мотыгах и пр.) - насадка рукоятки не под прямым углом к направлению силы удара, а под углом ок. 80 - 85° (рис. 3). Это отклонение рукоятки от направления перпендикулярного линии удара р, необходимо также и вследствие того, что в момент удара боёк движется не перпендикулярно рукоятке, а приблизительно под тем же углом к ней, равным ок. 80 - 85°. Если, напр., в мотыге плоскость бойка перпендикулярна рукоятке, то в момент вхождения в почву при ударе скорость v конца бойка не совпадает с направлением плоскости бойка. Поэтому скорость v можно разложить на две слагающие, из к-рых одна v1 направлена вдоль бойка (рис. 4), а другая v2 - вдоль поверхности почвы. Вследствие существования слагающей v2 мотыга отбрасывает комья почвы на рабочего, чего не происходит, если плоскость бойка совпадает с её линейной скоростью, т. е. с направлением её движения при ударе (боёк входит в почву "вдоль себя").

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

Точка С легко может быть найдена графически, если на чертеже орудия (рис. 5) начертить направление силы - р, из центра тяжести орудия О опустить на направление силы - р перпендикуляр ОА=S и продолжить его за центр тяжести О. Из центра тяжести восставить к линии АО перпендикуляр и на нём отложить отрезок где I₀ - момент инерции орудия относительно оси, перпендикулярной плоскости, его рабочих движений и проходящей через центр тяжести О, а М - масса орудия. Если из точки А провести прямую в конец отрезка р₀ и к этой прямой восставить в точке В перпендикуляр и продолжить его до точки пересечения с продолжением прямой АО, то эта точка пересечения и оказывается точкой С, свободной от отдачи при ударах бойком. Если наносить удары концом прямой палки постоянного сечения, то точка С располагается на расстоянии ²/₃ длины палки от того конца, к-рым наносятся удары, т. е. на расстоянии ¹/₃ её длины от свободного конца. Всякий боёк несколько смещает точку С к свободному концу палки и притом тем более, чем дальше распределена масса бойка от точки А, но, напр., обычные бойки молотков и топоров мало влияют на положение точки С.

Орудие в момент удара обладает нек-рой скоростью, а следовательно, и кинетической энергией. Если направление силы удара р, а следовательно, и силы реакции - р проходят через центр тяжести орудия (центральный удар), то вся кинетическая энергия орудия в момент удара способна превращаться в энергию (работу) удара. Коэф-т полезного действия n такого орудия равен 1, что составляет наибольшее возможное численное значение η. Всякое расстояние S от центра тяжести до силы р снижает к. п. д. орудия: при эксцентричном ударе не вся кинетическая энергия орудия расходуется на удар, а лишь часть её. Отношение той части кинетической энергии, к-рая расходуется на удар, ко всей кинетической энергии орудия в момент удара называется коэф-том полезного действия орудия η,

где I₀ - момент инерции орудия относительно оси, проходящей через центр тяжести О; I - момент инерции относительно оси, проходящей через точку А,

М - масса орудия, равная ^Q/_g, где Q - вес орудия; g - ускорение силы тяжести (9,81 м/сек²). Приблизительно к. п. д. орудия η равен , где l=S+S', или (что то же) η=1-^3S/_2L, где L - длина орудия от конца рукоятки до точки А. Отсюда видно, что чем тяжелее и чем длиннее рукоятка орудия, тем ниже его к. п. д. Поэтому, напр., металлические рукоятки, а также (в меньшей степени) дубовые нерациональны, т. к. более удаляют центр тяжести орудия от точки А, чем, напр., берёзовые.

Коэффициент полезного действия палки при нанесении ударов концом её равен 0,25. Боёк, насаженный на конец палки, приближает центр тяжести орудия к точке А и тем самым увеличивает к. п. д. орудия. Коэф-т полезного действия и расположение точки С (к-рая в хороших орудиях должна находиться на рукоятке, в руке рабочего) составляют основную характеристику динамических рабочих свойств орудия и определяют собой степень совершенства его конструкции. Многовековой процесс совершенствования ручных ударных орудий от каменного века и до наших дней шёл в направлении постепенного возрастания к. п. д. Расположение точки С на рукоятке было достигнуто довольно рано; возрастание к. п. д. длилось дольше и зависело от совершенствования технологии изготовления металлических бойков и возрастания их размеров по мере удешевления железа. В 16 в. стали появляться топоры, способные наносить центральные удары (рис. 6). Из указаного выше способа определения точки С (рис. 5) видно, что чем меньше расстояние S, тем дальше отстоит точка С от центра тяжести О. Если S=О, т. е. если центр тяжести О совпадает с точкой А, то точка С оказывается на бесконечном расстоянии от центра тяжести О, и во всех точках рукоятки происходит "отдача", т. е. удары передаются в руку.

Повидимому, это неудобство привело к тому, что в дальнейшем развитии конструкции топора вновь возникло нек-рое расстояние между центром тяжести и точкой А (основание перпендикуляра, опущенного из центра тяжести О на направление силы), и так. обр. точка С вновь была возвращена на рукоятку. Современные молотки и кувалды имеют наибольший коэф-т полезного действия η=0,85-0,95; топоры η=0,80-0,85; мотыги η=0,50-0,80, в зависимости от длины рукоятки и веса бойка.

Рис. 7

Лопаты имеют двоякое назначение. Одни из них служат для вскапывания почвы и грунта (Sa-ступы, рис. 7); по обе стороны от рукоятки их металлическая рабочая часть (полотно) имеет перпендикулярные к ней отогнутые края для наступания ногой при вонзании лопаты в землю. Др. лопаты служат для перебрасывания сыпучих тел (зерно, снег, песок, каменный уголь и т. п.). Изготовляются из дерева (для зерна, снега) и из стали, с деревянными рукоятками. В этом случае стальное полотно лопаты имеет отогнутые задние и боковые края, что приближает его к форме плоского совка; рукоятка несколько непараллельна полотну и насаживается выше полотна, чем достигается удобство зачерпывания такой лопатой сыпучего тела с земли и вместе с тем более устойчивое положение нагруженной лопаты в руках, т. к. центр тяжести наполненной (нагруженной) лопаты оказывается ниже ладоней удерживающих её рук.

Рис. 8

Режущие, орудия - серпы и косы - режут стебли своими лезвиями. Необходимое для резания давление лезвия на разрезаемый материал оказывается наибольшим, если направление движения лезвия образует с нормалью, к нему угол, не превосходящий угла трения лезвия по разрезаемому материалу. При этом резание происходит без скольжения лезвия по материалу, и удельная работа резания (т. е. работа, затрачиваемая на перерезание 1 см² материала) оказывается наименьшей, т. к. режущие точки лезвия для перерезания тех же площадей проходят наименьшие пути.

Рис. 9

Если угол а между нормалью к лезвию (рис. 8) и направлением его движения превосходит угол трения лезвия по материалу, то потребное для резания давление лезвия на разрезаемый материал снижается тем значительнее, чем больше этот угол α отличается от угла трения φ, превосходя его, т. е. чем больше разность (α - φ). Но удельная работа резания возрастает по мере возрастания этого угла сначала медленно, а затем, при значительных разностях (α - φ), весьма быстро (рис. 9). Углом трения называется угол, тангенс к-рого равен коэф-ту трения. Лезвие (напр., косы, рис. 10) действует на разрезаемое тело, по к-рому оно скользит при резании (напр., на стебель), силой давления N, к-рая перпендикулярна лезвию, и направленной вдоль лезвия силой трения F, к-рая пропорциональна силе N и равна N tgφ, где tgφ - коэф-т трения. Равнодействующая R сил N и F образует с нормальной к лезвию силой N угол, называемый углом трения и обозначаемый обычно греческой буквой φ. Если угол α между нормалью к лезвию и направлением его движения больше угла трения φ, то лезвие, разрезая материал, в то же время скользит по нему вдоль своей длины. При резании со скольжением необходимое для резания давление лезвия на разрезаемый материал оказывается тем меньшим, чем значительнее скольжение, т. е. чем больше разность (α-φ), от которой зависит продольное скольжение лезвия при резании.

Рис. 10

При кошении травы или хлебов ручной косой сила давления лезвия косы на каждый стебель равна силе сопротивления стебля давлению косы: коса не может давить на стебель силой большей, чем сила сопротивления стебля. Но свободно стоящие стебли травы и соломины хлебов способны создавать лишь очень незначительные силы сопротивления всякому внешнему боковому давлению на них, в том числе и давлению косы. Если давление лезвия косы на стебель достигает того небольшого предела, к-рым определяется сопротивление стебля изгибу или излому, он изгибается или переламывается, но остаётся не перерезанным. Поэтому для исправного скашивания стеблей лезвие косы должно воздействовать на стебли так. обр., чтобы для их перерезания требовалось возможно меньшее давление лезвия на них; другими словами, чтобы в процессе резания происходило возможно большее скольжение лезвия по стеблям, т. к. необходимое для резания давление лезвия на стебли снижается тем больше, чем значительнее продольное скольжение лезвия при резании. А так как скольжение лезвия по стеблям при резании оказывается тем значительнее, чем больше угол а между нормалью к лезвию и направлением его движения (рис. 11) превосходит угол трения φ лезвия по стеблям, т. е. чем больше разность углов (α - φ), то для того, чтобы коса могла срезать стебли при тех малых силах давления на стебли, какие она может развивать, требуется, чтобы направление движения лезвия косы составляло возможно больший угол аα с нормалью к нему.

Рис. 11

Именно этому требованию отвечает как устройство, так и кинематика, т. е. движение косы при работе. Во время рабочего взмаха она вращается против часовой стрелки около вертикальной оси, проходящей сзади рабочего, за его спиной, на небольшом расстоянии.

Край полотна косы, противоположный лезвию, утолщён и отогнут вверх для придания жёсткости полотну. С той же целью полотно делается не плоским, а дугообразным в поперечном сечении и обращено выпуклостью вниз. Свободный заострённый конец полотна несколько приподнят вверх во избежание вонзания в почву. Серп (рис. 12) имеет лезвие, по форме близкое к форме эллипса. Исторически такая форма возникла постепенно. Древние бронзовые серпы были прямыми и даже с несколько выпуклым лезвием. При резании серпом давление лезвия на стебли м. б. значительно больше, чем при резании косой, т. к. срезаемую горсть стеблей жница захватывает и удерживает левой рукой. Но когда, в случае прямого серпа, при продольном перемещении его лезвия по стеблям при резании, в соприкосновении со стеблями приходят точки лезвия, удалённые от рукоятки, и резание совершается концом лезвия, реакция стеблей оказывается приложенной на большом плече относительно кисти руки, удерживающей рукоятку, и образует большой момент. Этот момент трудно преодолевать вращательным усилием кисти руки, к-рая должна развивать равный и противоположный момент.

Рис. 12

При современной эллиптической форме серпа давление его лезвия на стебли создаётся не вращательным усилием' кисти руки, а в значительной мере силой тяги "на себя", что значительно удобнее и менее утомительно. Все режущие точки лезвия расположены вблизи рукоятки: если бы лезвие серпа было выпрямлено, то режущие точки оказались бы удалёнными от рукоятки на гораздо большие расстояния. Чтобы заставить лезвие проходить по стеблям те же пути, рука жницы должна была бы совершать гораздо большие перемещения, чем при современной форме серпов.

Характерной для серпов является серповая насечка лезвия. Её значение состоит в том, что она увеличивает углубление лезвия в разрезаемый материал, приходящееся на единицу длины продольного перемещения лезвия при резании; при одинаковых перемещениях лезвия вдоль его длины насечённое лезвие образует более глубокий прорез, чем гладкое, при том же нормальном давлении лезвия на разрезаемый материал. Но насечённое лезвие требует большего касательного усилия, чем гладкое.

В. Желиговский

Источники:

1. Сельскохозяйственная энциклопедия. Т. 4 (П - С)/ Ред. коллегия: П. П. Лобанов (глав ред) [и др.]. Издание третье, переработанное - М., Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, М. 1955, с. 670