Обратимся к справочникам. Немного "схалтурю" - не буду разыскивать справочник на твердом носителе, а обращусь к интернету - какова толщина лунного реголита:
"На поверхности Луны слой реголита в среднем имеет толщину от 5 до 70 см, причем рыхлым является только самый верхний слой толщиной 1-2 см, а ниже он плотный и его частицы связаны между собой диффузионной «вакуумной сваркой»."
Плотность - масса отнесенная к объему. Слово плотный, в данном случае, (по моему мнению), не совсем уместно. Как и слово "рыхлый". Скорее сыпучий, не связный верхний слой, и связный нижний слой. Но русский язык велик и могуч, а я не настолько его знаток - пусть будет как будет.
Слегка похожая аналогия - влажный песок, с тонким слоем сухого наверху. У сухого песка частицы не связаны между собой и легко пересыпаются или сдуваются. Влажный песок "склеен" водой, то есть силами поверхностного натяжения жидкости, потому имеет некоторую прочность на сдвиг, немного на растяжение, в отличии от сухого песка. На сжатие прочность сухого и влажного песка то же отличается, но не столь значительно как на растяжение и сдвиг. Плотность - практически одинаковая. Потому отличия в следах на сухом и влажном песке - не четкие в первом случае и несколько менее глубокие и очень четкие во втором.
"Анализ космических снимков лунной поверхности в местах посадок автоматической станции Surveyor 3 и пилотируемого корабля Apollo-11 показывает, что струи газов из посадочных двигателей этих аппаратов выдули лунную пыль из круга радиусом порядка 300 м . Это подтверждается и прямыми оценками запыленности аппарата Surveyor 3 пылью, сдутой при посадке Apollo-11. Поэтому при посадке аппаратов в любом месте площадки 100×100 м можно не сомневаться, что посадочные двигатели полностью очистят от пыли всю площадку."
"Прочность поверхностного слоя реголита оказалась достаточной, чтобы посадочные лапы спускаемых аппаратов не погружались в грунт глубже, чем на несколько сантиметров."
Посмотрим теперь на несколько изображений поверхности Луны.
След Лунохода:
Галоша (или бахила) Олдрина:
Первый след (Лунохода) - можно предположить, что он оставил его на пыльной поверхности, вдали от посадочной ступени. Хотя желающие могут найти фотографии и рядом с посадочной ступенью и не найти сколь нибудь серьезных различий в следах. Нечеткие, осыпавшиеся края и достаточно глубокая колея.
Второй след - очень четкий отпечаток, как будто бы во влажном мелком песке. В соответствии с оф версией, всю пыль в круге радиусом 300 м сдуло, остался только спеченный реголит, который не пылит, но в котором остаются чёткие следы.
Смотрим вот на этот снимок (рекомендую найти в интернете и посмотреть в хорошем разрешении):
Идеально четкие следы от галош астронавта говорят о том, что всю пыль сдуло струей двигателя, и ровер используется в непосредственной близости от модуля - ближе 300 м. Назначение ровера - увеличение исследуемой территории. 300 м это конечно немало, но стоило ли оно того? Может быть это фото просто постановочное?
Но я хотел бы обратить внимание на другое. Два астронавта и сам ровер оставили очень мелкий след с плоским дном и без рисунка протектора.
Конечно, колесо не жёсткое и под нагрузкой деформируется, но тем не менее - полукруглое в сечении колесо должно оставлять вогнутый след. Примерно так:
Тот вариант, который мы видим на "лунных" снимках - возможен при переменной прочности и жёсткости грунта на смятие - если на достаточно жесткую отформованную поверхность нанесли тонкий слой порошка - например, цемент, мелкий песок или что то подобное. А затем по этой поверхности прокатили ровер. Тогда след от ровера будет только в верхнем сыпучем слое.
Можно сказать, что это соответствует приведенному вначале: "На поверхности Луны слой реголита в среднем имеет толщину от 5 до 70 см, причем рыхлым является только самый верхний слой толщиной 1-2 см, а ниже он плотный и его частицы связаны между собой диффузионной «вакуумной сваркой»."
Но чёткие следы галош астронавта с этим не согласны. Нижний слой, после сдувания верхнего сыпучего, хорошо сминается и дает нормальные отпечатки.
Все эти неувязки хорошо объясняет вариант павильонной съемки - изначально сформировали рельеф, например гипсом, присыпали его неким порошкообразным веществом, прокатили ровер, а для красивых следов астронавта это порошкообразное вещество в нужном месте слегка увлажнили.
Внимательное изучение официальных фото, видео и кино дает любознательным людям массу информации для размышлений и анализа. Но мы поговорим о другом.
Колеса - опора и движитель.
Практически у всех колесных транспортных средств колеса выполняют две функции: в первую очередь функция опоры, второе - движитель, то есть устройство, преобразующее вырабатываемою двигателем энергию (отнесенную ко времени - мощность) в силу, которая заставляет аппарат двигаться в нужном направлении.
Опора.
В поле действия силы тяжести любое материальное тело пытается двигаться в направлении действия этой силы. Например - с неба падает капля дождя. Или градина. Или метеорит. Или самолет. потерпевший аварию... Этому движению противодействует некоторая реакция. Реакция поверхности Земли (камень лежит на поверхности Земли - действует сила тяжести и реакция опоры).
Если к камню подойдет человек и приложит горизонтальное усилие, примерно равное половине его веса, то камень будет перемещаться. Пятно контакта камня с Землей - опора, человек - двигатель и движитель))) Горизонтальная сила, которая заставляет камень двигаться, зависит от силы трения в опоре. Чем меньше это трение, тем меньше необходимая для перемещения сила.
Опора не обязательно должна быть твердой. Водный транспорт опирается на воду, а воздушный - на воздух. Самолет крылом опирается на воздух. Соотношение подъемной силы к силе сопротивления (или тяге двигателя в установившемся режиме полета) называется аэродинамическим качеством. Чем оно (аэродинамическое качество) выше, тем меньше нужна сила тяги, тем меньше (при той же скорости) мощность двигателя и тем экономичнее самолет. С некоторой натяжкой это применимо к любому виду транспорта - чем больше соотношение полного веса транспортного средства к необходимой для движения силе тяги - тем выше качество. Правда уже не аэродинамическое, а просто - "качество".
В статье Про дирижабли, часть 1. и в нескольких последующих (ссылки в конце каждой статьи) вопрос "качества" транспортного средства рассматривался в применимости к дирижаблю и объяснялось, почему они проиграли самолетам и другим транспортным средствам. А так же есть ли у них перспектива, а если есть, то где. Интересующиеся дирижаблями и просто интересующиеся - можете почитать.
Практический жизненный опыт нам говорит, что использовать колесо - трение качения - намного выгоднее по требуемому усилию, нежели трение скольжения - тащить что то волоком, как выше упомянутый камень. Есть некоторые исключения - полозья или лыжи на снегу, конек на льду.
Итак - колесо.
Жесткое, идеально круглое колесо легко катится по твердой, ровной гладкой поверхности. Пример - железнодорожное колесо.
Усилие, необходимое для перемещения такого колеса может составлять 1/1000 (одну тысячную) от веса. Очень маленькая величина, но все же трение качения есть. Для дальнейшего понимания рассмотрим физику процесса в этом случае:
Вверху - идеальный случай, абсолютно твердое колесо, абсолютно твердая поверхность, соприкасаются в точке (или линии) трения качения нет, колесо катится может бесконечно.
Внизу - реальный случай. И колесо и опора деформируется, при этом соприкасающиеся слои колеса и опорной поверхности, вдоль поверхности их соприкосновения, испытывают различные деформации - колесо сжимается, а поверхность растягивается. При этом соприкасающиеся поверхности проскальзывают относительно друг друга (показано стрелками), из за этого при движении в какую либо сторону система оказывается несимметричной и появляется трение качения.
Или иначе - на это проскальзывание надо потратить энергию, которая изнашивает и нагревает поверхности контакта. Кроме того, у любой упругой деформации есть гистерезис - при деформации сжатия нужно приложить несколько большее усилие, чем возвращается при снятии усилия. Деформации показаны преувеличено , на самом деле они намного меньше, но мы рассматриваем качественную картину, общие зависимости и физику процесса.
Шарик или ролик?
Рассмотрим 2 колеса. Первое - торообразное:
Твердое колесо катится по твердой дороге. Для простоты картинки деформацию колеса не показываем, а только деформацию поверхности, по которой оно катится. Деформация заведомо увеличенная, как и ранее, но нам важна качественная картинка. Заштрихованный овал - пятно контакта.
В данном случае, помимо проскальзывания из за деформаций растяжения и сжатия колеса и поверхности, по которой это колесо катится, у нас есть еще и разные диаметры качения - D, D1, D2. Длина окружности по этим диаметрам разная, а путь они проходят один. Потому без проскальзывания будет катиться только какой то один средний диаметр, например D1, вся остальная поверхность буде проскальзывать - часть вперед а часть назад. Все это в совокупности дополнительно увеличивает сопротивление качению.
Теперь цилиндрическое колесо:
Здесь другое пятно контакта - более широкое, но по направлению движения - короче. Усредненные деформации в пятне контакта такие же, как и у торообразного колеса. Но у торообразного колеса максимальные деформации совпадают с максимальными давлениями.
И за счет этого - проскальзывания при перекатывании в пятне контакта - у цилиндрического колеса потери на трение меньше. Второго элемента сопротивления - проскальзывания разных диаметров - у цилиндрического колеса отсутствую, так как диаметр постоянный.
Потому - сопротивление качению (пока твердого колеса по твердой поверхности) у торообразного колеса выше, чем цилиндрического.
Пример из техники:
Там, где относительно невысокие нагрузки, применяются шариковые подшипники, со сферическими телами качения, где высокие - роликовые, с цилиндрическими телами качения. Это очень упрощенно, там много факторов но вышеописанный (разное сопротивление качению) присутствует в полной мере. Причем, у шарикового подшипника, в отличии от колеса, проскальзывание разных диаметров во многом компенсировано - беговая дорожка "свернута в кольцо" и ее длина по центру подшипника больше, нежели по краям.
Уже на этом этапе - рассмотрев только твердое колесо на твердой поверхности - мы уже можем взглянуть критическим взглядом на форму колеса лунного ровера:
а так же форму колеса Лунохода:
и марсохода:
и немного при этом задуматься.
Внеземные условия накладывают жёсткие ограничения по массе, а следовательно по энергетике - масса аккумуляторов, масса электродвигателей, масса системы управления. Меньшее сопротивление качению колес уменьшает потребную силу для перемещения и потребную
мощность электродвигателей и размер редукторов, а это снижает общую массу.
Мягкое колесо на жесткой поверхности, жесткое колесо на мягкой поверхности, мягкое колесо на мягкой поверхности - в следующей части.
