Handtücher (und Mäntel) werden oft wie folgt an Haken aufbewahrt:
Für das ungeschulte Auge sieht es so aus, als würde das Handtuch durch sein eigenes Gewicht abrutschen. Der Haken ist normalerweise leicht nach oben geneigt, aber ein Handtuch hat keinen "Griff", um es herumzufädeln und am Haken aufzuhängen - das lässt es so aussehen, als würde es einfach abrutschen.
Dennoch halten diese Haken Handtücher gut, selbst schwere Badetücher. Wieso den?
Ich habe drei Ideen:
Welche dieser Ideen sind wahrscheinlich richtig? Ich freue mich auch über eine Antwort, die auf einer rein theoretischen Analyse der beteiligten Kräfte basiert.
Da dies PhysicsSE ist, freue ich mich über eine Antwort, die rein auf einer theoretischen Analyse der beteiligten Kräfte basiert.
Oh Junge, Zeit, um viel zu viel Zeit mit einer Antwort zu verbringen.
Nehmen wir das einfache Modell eines Pflocks an, der einen Winkel bildet mit der Wand und endet in einer kreisförmigen Radiuskappe . Dann ein Handtuch von ganzer Länge und lineare Massendichte hat drei Teile: einen Teil, der vertikal hängt, einen, der sich über die kreisförmige Kappe krümmt, und einen, der wie gezeichnet auf dem geneigten Teil ruht. Das ist sehr vereinfacht, aber es kapselt die grundlegende Physik. Außerdem ignorieren wir die Falten des Handtuchs.
Lassen sei die Länge des Handtuchs auf dem geneigten Teil des Stifts. Ich werde eine verallgemeinerte wählen -Achse, die der Kurve des Zapfens folgt. Beachten Sie, dass dieses Modell sowohl für die Richtung von vorne nach hinten als auch für die Richtung von Seite zu Seite des Zapfens funktioniert. In der Seitenwand (bezeichnet ) ist einfach null (völlig vertikal):
Woher ist der Bruchteil des Handtuchs auf der rechten Seite des Bildes. Dann die gesamte Gravitationskraft wird sein:
Die infinitesimale Haftreibungskraft wird sein . ist auf dem geneigten Teil konstant und variiert mit über der kreisförmigen Kappe als . Dann:
Jetzt können wir die Reibungskraft gleich der Gravitationskraft setzen und nach welchen Werten auflösen wird das statische Gleichgewicht erfüllen. Du erhältst:
wo die zweite Zeile und , der Bruchteil des Handtuchs auf der Kappe bzw. der Neigung des Stifts. Daher hängt von drei Faktoren ab:
Lassen Sie uns einige Diagramme erstellen: Das obige Diagramm zeigt was
müsste mit a sein
(keine Endkappe, nur ein 1D-Stick).
Die obige Grafik zeigt was
müsste mit a sein
(Kein Stock, nur eine runde Kappe, über die das Handtuch drapiert wird.
Die obige Grafik zeigt, was
müsste sein, wenn der Winkel fest ist
und die Länge des Zapfens (
) ist vielfältig.
Was alle obigen Diagramme Ihnen zeigen sollten, ist, dass der Haftreibungskoeffizient enorm sein muss ( -- die meisten nahe bei 1 liegen), es sei denn, der Bruchteil des Handtuchs auf dem Haken ( und ) ist groß, wie über 50 % zusammen. Die großen Werte für kann nur erreicht werden, wenn Sie das Handtuch in ungefährer Position platzieren , während es sehr schwierig ist, ein Handtuch von seiner Position aufzuhängen weil es reduziert in beiden und -Richtungen.
Dies ist keine ausreichende Bedingung für das statische Gleichgewicht; Ein Handtuch ist kein starres Objekt. Als Gegenbeispiel siehe eine Atwood-Maschine . Das Block-Seil-System hat einen Schwerpunkt unterhalb der Rolle, aber das verhindert nicht die Bewegung der Blöcke.
set termoption enhanced
und ändern Sie dann z. B. gamma
auf {/Symbol g}
.Es gibt einen gewissen Beitrag von der Reibung der verschiedenen Oberflächen, aber der Hauptfaktor ist der Gewichtsausgleich.
Es ist wichtig zu beachten, dass der Haken leicht von der Wand entfernt ist, wodurch sich fast das gesamte Gewicht des Handtuchs neben oder hinter der Vorderseite der Hakenspitze bewegen kann.
Die Art und Weise, wie das Handtuch über die Hakenspitze geworfen wird, erzeugt "Flügel", die an den Seiten und hinter der Hakenspitze herabhängen.
Das Gewicht in den Flügeln, das von Stoff auf beiden Seiten der Hakenspitze getragen wird, trägt nicht zum Abrutschen bei (vorausgesetzt, das Handtuch ist in seiner Mitte eingehakt und das Gewicht auf jeder Seite ist ausgeglichen).
Daher muss das Gewicht des Stoffs, der in den "Hals" des Hakens (und die daran hängenden Flügel) gedrückt wird, nur das Gewicht des Stoffs ausgleichen, das auf der Vorderseite des Hakens verbleibt, das nur ein sehr geringes ist Menge des Gesamtgewichts des Handtuchs (und braucht daher nur eine sehr kleine Stoffmenge im Hakenhals, um es auszugleichen).
Übrigens, auch Seidenstoffe an einem glatten Haken lassen sich auf diese Weise einhaken – durch die geringere Reibung muss einfach mehr Stoff im Rachen angesammelt werden, während raue Stoffe an rauen Haken weniger auf Balance und mehr auf Reibung angewiesen sein können.
Ich mag die am besten bewertete Antwort wegen ihres methodischen Ansatzes und ihrer schönen Grafiken, aber ich glaube, sie beantwortet die Kernfrage nicht, weil sie einen kritischen Aspekt vermisst: das Falten des Handtuchs.
Wenn wir uns ein eindimensionales Handtuch vorstellen, können wir leicht erkennen, dass der Stoff auf der Wandseite des Hakens nicht ausreicht, um der Masse des Materials auf der gegenüberliegenden Seite entgegenzuwirken.
Wenn wir uns dieses 1-dimensionale Modell extrudiert in eine meist starre Platte vorstellen, werden wir wieder sehen, dass das wandseitige Material wiederum nicht ausreicht, um das Handtuch an Ort und Stelle zu halten. (Starr in dem Sinne, dass das Falten auf eine Dimension beschränkt ist – stellen Sie sich eine harte Plastikfolie vor).
Der entscheidende Aspekt dieses Systems ist daher, dass sich das Handtuch auf allen Seiten des Hakens „faltet“, wodurch eine symmetrische Verteilung über die y-Achse entsteht.
Rückrufreibung ist eine Funktion der Normalkraft:
Wenn Sie sich das Handtuch ansehen, werden Sie sehen, dass es zum größten Teil fast in einer geraden Linie ganz in der Nähe des Hakens hängt. Das bedeutet, dass der Schwerpunkt nicht weit von der Mittellinie des Hakens entfernt liegt. Das bedeutet auch, dass die Kraft meist normal zur Hakenspitze wirkt. Bei diesem System wird nur eine sehr geringe Seitenkraft ausgeübt, sodass die durch das Gewicht des Handtuchs erzeugte Reibung ausreicht, um die Gleitreibung zu überwinden.
Der größte Teil der Masse ist gleichmäßig über die y-Mittellinie verteilt, was keine Netto - Gleitkraft beiträgt. Außerdem trägt die gesamte Masse des Handtuchs zu einer Normalkraft auf die Spitze bei, die die notwendige Haftreibung bereitstellt, um jegliches Ungleichgewicht zu überwinden, das durch die Massenverteilung über die x-Achse verursacht wird . Außerdem ist das Massenungleichgewicht über die x-Achse nicht so extrem, wie es auf den ersten Blick scheint, da sich auf dieser Achse sowohl vor als auch hinter der Hakenspitze Material befindet.
Fazit
Die Massenverteilung des Systems ist ausgewogener, als es auf den ersten Blick scheint. Das gesamte Gewicht des Handtuchs trägt zur Normalkraft bei, die dem System genügend Reibung verleiht, um kleinen Ungleichgewichten entlang der x-Achse entgegenzuwirken.
Ich gehe hier in eine andere Richtung ... und behaupte, dass das Handtuch nicht verrutscht, weil es sich verformt hat, als es auf den Haken gelegt wurde.
Das Gewicht des Handtuchs zieht an dem Gewebe in einer allgemein nach unten gerichteten Richtung; Da sich der größte Teil des Handtuchs außen befindet, reicht Reibung allein nicht aus, um zu verhindern, dass das Handtuch herunterfällt (wie in der Antwort von @ cms schön gezeigt wurde . Die Spannung im Stoff erfolgt jedoch nicht nur in einer Richtung: Sie hängt von der Form des Materials ab Schauen Sie sich den Handtuchhaken von der Seite an, und ich glaube, Sie sehen Folgendes:
Durch die Verformung des Gewebes an der Hakenspitze wird ein erheblicher Teil des Gewichts auf den Hakenrücken aufgebracht: Aus diesem Grund reicht ein relativ niedriger Reibungskoeffizient aus, um das Handtuch an Ort und Stelle zu halten.
Ein einfaches Gedankenexperiment bestätigt dies: Wenn Sie ein Stück Papier nehmen und es einfach über einen Haken drapieren, mit dem größten Teil nach außen, rutscht es ab. Aber wenn Sie das Papier oben ein wenig zerknüllen, bleibt es. Das liegt daran, dass das Papier / Handtuch seine verzerrte Form unter der Spannung aufgrund des Gewichts beibehalten möchte – und diese Form hält es am Haken.
Das Handtuch wird notwendigerweise durch die nach oben gerichtete Kraft des Hakens gehalten. Die Aufwärtskraft gleicht das Gewicht des Handtuchs aus.
Wie Sie hier selbst betont haben , führt ein zu glatter und gerader Haken dazu, dass das Handtuch abrutscht. Also, zwei weitere wichtige Faktoren:
Das Handtuch und die meisten Stoffe geben bei konzentrierter Belastung nach und verformen sich. Die Fäden haben etwas Spiel, um seitlich in beide orthogonalen Richtungen zu gleiten und genug Spiel zu haben, um eine Unebenheit in einer ansonsten flachen Oberfläche zu ermöglichen.
Viele von uns Oldtimern, die bei der Arbeit Taschenhemden trugen und manchmal kleine Radiergummis oder was nicht in dieser Tasche trugen, erinnern sich an die dauerhafte Einkerbung, die sie hinterlassen haben.
Wie oft musstest du dich von einer anständigen Jeans trennen, nur weil sich die Kniepartie dauerhaft in einen hässlichen Halbball verwandelt hat?
Dieses Durchhängen ist mit Reibung verbunden und hält das Handtuch am Haken, manchmal sogar dann, wenn eine hängende Seite viel länger ist als die andere!
Diese Handtücher bleiben an diesem speziellen Hakentyp, da sich der Großteil des Gewichts hinter und unter der Hakenkugel befindet. Wenn das Handtuch feucht wäre und nur ein kleiner Teil davon über den Haken gelegt würde, würde das Handtuch wahrscheinlich abrutschen, wenn es einmal war ausreichend getrocknet.
Unter dem Gesichtspunkt der Funktionalität sollte man eine tiefe Kehle und einen längeren Hals mit einem Haken mit quadratischem Kopf wählen, im Gegensatz zu einem der entgegengesetzten Designs.
Während der östlichen Zhou-Dynastie im alten China (770-256 v. Chr.), wo angenommen wird, dass einige der ersten Kleiderhaken (Daigou) hergestellt wurden, hatte der Haken einen schmalen Hals mit einem langen Hals und einem quadratischen Kopf; Dies war vor 770 v. Chr. und modernen Patenten oder Ingenieurwesen.
Diese wurden manchmal aus Bronze oder aus Stein hergestellt und hatten normalerweise einen Tierkopf (Drachen), um für Reibung zu sorgen. Vergleichen Sie das alte Design mit moderner Technologie, für mich scheint modernes Design billiger und weniger effektiv zu sein.
Auf dem Originalfoto
Es scheint vorne-hinten ziemlich unausgewogen zu sein und links-rechts etwas unausgewogen.
OP fragt, warum rutscht es dann nicht ab.
Die Antwort ist einfach Reibung. Das ist alles, was dazu gehört.
Beachten Sie, dass auf dem genauen Foto, das im Original-OP gezeigt wird:
Völlig einfache und unvermeidliche Tatsache.
Hier ist noch ein weiteres Hakendesign:
Es ist vorne-hinten sehr unausgeglichen und auch ziemlich seitlich. Warum rutscht es nicht ab? Reibung. Auch in diesem Beispiel, wenn beide Oberflächen völlig reibungsfrei wären: Es würde abrutschen.
Die Antworten, die ingenieurmäßig genau beschreiben, wo die Kräfte für ein bestimmtes Hakendesign liegen, sind grundsätzlich falsch .
Was hindert ein Auto am Rutschen? Die Antwort lautet: Reibung. Wenn Sie eine detaillierte Analyse der Oberfläche bei verschiedenen Drücken, verschiedenen Betonmischungen usw. durchführen, wäre dies fantastisch hilfreich, wenn Sie z. Reifen entwerfen.
Aber es hat keinen Zusammenhang mit der Antwort.
Das "Ding" , das das Rutschen des Autos verhindert, ist "Reibung".
Betrachten Sie jedes beliebige Design für den Haken:
Stellen Sie sich in allen Fällen vor, dass das Handtuch von vorne nach hinten oder von links nach rechts (oder in eine beliebige Richtung) unausgeglichen ist.
Was verhindert, dass es rutscht, wenn es nicht ausbalanciert ist?
Es ist nur Reibung.
Stellen Sie sich in jedem Fall ganz einfach vor, alle Oberflächen des Hakens und des Handtuchs durch immer rutschigere Oberflächen zu ersetzen. Bei perfekt glatten Oberflächen rutscht es ab, wenn es nicht ausbalanciert ist (absolut unabhängig von Design, Schwerpunktproblemen usw.).
Es gibt einige wirklich unglaubliche Heuler auf dieser Seite, in den Antworten und Kommentaren:
"Wie auch immer, ich stimme zu, dass es ziemlich offensichtlich ist, dass Reibung in eine Richtung notwendig ist"
Was bedeutet das überhaupt? Wir sprechen hier von statischer (nicht dynamischer) Reibung. Natürlich ist es offensichtlich nur "notwendig", in welche Richtung auch immer das Ungleichgewicht im Moment der Diskussion geht. (Sie könnten es natürlich auch in die andere Richtung aus dem Gleichgewicht bringen, und dann wäre die Reibung in der "anderen Richtung" "notwendig".) Es ist nur ein (nichts für ungut) sehr bedeutungsloser Gedanke; es wird nicht einmal so analysiert, wie Sie normalerweise über Kräfte sprechen. Eine Richtung - was?
"Das Handtuch wird notwendigerweise durch die Aufwärtskraft des Hakens gehalten. Die Aufwärtskraft gleicht das Gewicht des Handtuchs aus."
Angenommen, Sie diskutieren darüber, ob eine Person, die an einem Hang steht, seitlich ausrutscht oder nicht. {Was genau die gleiche Frage ist wie die zu diskutierende Frage.} Angenommen, Sie haben beobachtet : "Oh, die Person wird nicht auf den Erdmittelpunkt fallen - weil der Boden mit gleicher Kraft nach oben drückt!" Es ist eine unglaublich fehlgeleitete und verwirrende Beobachtung. Diskutiert wird, ob die Haftreibung überwunden wird und die Schuhe rutschen.
Die Antwort, die derzeit angekreuzt ist, enthält nur erstaunlich, erstaunlicherweise falsche grundlegende Physik -
Daher muss das Gewicht des Stoffs, der in den "Hals" des Hakens (und die daran hängenden Flügel) gedrückt wird, nur das Gewicht des Stoffs ausgleichen, das auf der Vorderseite des Hakens verbleibt, das nur ein sehr geringes ist Menge des Gesamtgewichts des Handtuchs (und braucht daher nur eine sehr kleine Stoffmenge im Hakenhals, um es auszugleichen).
Wenn Sie von der Spitze des Hakens aus schauen, können Sie (wenn Sie aus irgendeinem Grund möchten) eine beliebige Normale um die 360 Grad zeichnen und das Gewichtsungleichgewicht auf beiden Seiten dieser Normale notieren . Aber natürlich würden Sie das nicht tun, Sie hätten nur einen Vektor , der in eine bestimmte Richtung zeigen würde, nämlich das aktuelle Gesamtgewichtsungleichgewicht. Es ist (A) völlig bedeutungslos, über "Offsets" bei einer bestimmten Normalität zu sprechen, und (B) wen interessiert das? Alles, was Sie tun, ist festzustellen, das Ungleichgewicht ist so und so, in dieser und jener Richtung .
Aber irgendetwas davon zu tun, ist bemerkenswert unklar. Ganz einfach, auf dem OP-Foto - Sie könnten das Handtuch herumbewegen, nach links, rechts, seitwärts - was auch immer - und in vielen Fällen würde es immer noch dort hängen, obwohl es nicht ausbalanciert ist. Wieso den? Offensichtlich Reibung.
Die eigentliche Frage selbst hat einen riesigen, riesigen Heuler (was angesichts der Länge der falschen Analyse unglaublicherweise niemand bemerkt hat)
Es gibt eine ausreichende Reibung zwischen dem Handtuch und dem Haken, um der Kraft des Herunterziehens des Handtuchs entgegenzuwirken.
Heh, die Kraft, die durch das Ungleichgewicht verursacht wird, ist seitlich - horizontal. Mit "nach unten" hat das überhaupt nichts zu tun. (Von oben gesehen – über Kopf – gleitet es seitwärts (in jede Richtung, von 0 bis 360 Grad, von oben gesehen), wenn Sie es in dieser Richtung als zu unausgeglichen einstellen.
Vielleicht am erstaunlichsten -
Es gibt einen gewissen Beitrag von der Reibung der verschiedenen Oberflächen, aber der Hauptfaktor ist der Gewichtsausgleich.
Was bedeutet das überhaupt?
(i) "Der Hauptfaktor ist das Ausbalancieren des Gewichts". Nun ja, bei dieser Frage geht es darum, dass das Handtuch nicht ausbalanciert ist (in einem bestimmten Winkel, 0-360, von oben gesehen). Es gibt keinen "Faktor" über "Gewichtsausgleich". Sie würden einfach aufschreiben, dass das Handtuch in einer Richtung (z. B. "213 ° Ost von Nord") unausgeglichen ist (z. B. 400 Gramm).
Es gibt also eine statische Kraft von X Gramm in Richtung D. OK.
(ii) "Es gibt einen gewissen Beitrag von der Reibung ..." Was kann außer Haftreibung noch dazu "beitragen", dass eine Oberfläche gegen eine andere nicht rutscht? Kann jemand was anderes sagen?
Es gibt zahlreiche andere "Heuler" auf dieser Seite, und ich habe leider keine Zeit, sie alle aufzuzählen!
6005
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