Как работает молния: бегунок и сцепление зубьев

Что показывает модель

Бегунок молнии сводит два смещённых ряда зубьев в сужающемся канале, и их головки сцепляются. При обратном движении ряды расходятся по сторонам внутренней перегородки. Зубья удерживают друг друга без пружины или подвижной защёлки в каждом зубе.

Стоит потянуть за язычок куртки, и два свободных края менее чем за секунду становятся одной полосой. При обратном движении они снова расходятся. Внутри бегунка ничего не вращается, не щёлкает и не пружинит. Как же он различает закрывание и открывание?

Металлическая молния увеличена в десять раз: миллиметру настоящей застёжки соответствует сантиметр на экране. На каждой из двух тканевых лент по 26 латунных зубьев. Есть бегунок с язычком, два верхних ограничителя и один нижний. Бегунок можно перемещать мышью или пальцем вдоль цепи либо регулятором «Бегунок». Индикатор считает сцепленные зубья из 52. Регулятор «Скорость» замедляет движение, а «Вид изнутри» делает корпус прозрачным и позволяет наблюдать прохождение зубьев.

Переключатель «Изношенный бегунок» расширяет узкий конец на долю миллиметра, воспроизводя многолетний износ недорогой детали. Видно, что происходит с выходящими зубьями. Другие регуляторы задают наклонную тягу, удаление зуба и растяжение сторон с фиксатором или без. «Разрез бегунка» открывает корпус на уровне зубьев, а «Зубья крупно» показывает три ещё более крупных зуба, сходящихся в замедленном движении.

Цепь можно заменить шестью другими типами: спиральной, литой пластиковой, потайной, водозащитной, двухзамковой и разъёмной молнией. Размер меняется от No. 3 до No. 10. Застёжка вшивается в куртку, сумку, вход в палатку, скафандр или джинсы. Под регуляторами находится лаборатория с пятью заданиями, таблицей размеров и 57 примерами из истории и применения, каждый со своим источником.

Два ряда чашечек

У открытой молнии зуб обжат вокруг утолщённого шнуром края тесьмы. Его свободный конец, головка, выштампован в виде маленькой чашечки. На одной стороне чашечка выступает бугорком, на другой оставляет впадину. Патент Gideon Sundback 1917 года описывает «выступающие замыкающие части удлинённой чашеобразной формы, так что наружная поверхность одного элемента входит в углубление соседнего при сцеплении».

Эта фраза объясняет большую часть устройства. Зубья на лентах смещены, поэтому головки закрытой молнии чередуются вдоль оси: левая, правая, левая, правая. Каждая проходит за середину в промежуток между двумя головками другой стороны, а её выступ входит во впадину соседа. Получается столбик вложенных чашечек. Каждый зуб удерживается двумя соседними.

Поперечное растяжение не разъединяет тесьму: выступам пришлось бы прямо выйти из впадин, но соседние зубья мешают. Продольная тяга тоже не помогает, поскольку чашечки сцеплены и в этом направлении. В патенте есть ещё одна важная деталь: все зубья одинаковы. Смещение позволяет ставить одну деталь на обе ленты и дёшево штамповать её миллионами.

Y-образный канал закрывает молнию

Чтобы чашечки разошлись, выступ должен приподняться из впадины. Для этого служит бегунок. Внутри него Y-образный канал: две ветви принимают по одному ряду, а общий ствол ровно настолько широк, чтобы пропустить закрытую цепь.

Включите «Вид изнутри» и уменьшите скорость. При движении бегунка вверх каждый ряд идёт вниз по своей ветви и изгибается для входа в ствол. В модели ряд раскрывается веером: у тесьмы зубья остаются близко, а головки расходятся. Угол между соседними зубьями одной ленты открывает промежуток. В него наискосок входит головка другого ряда. К стволу ряд выпрямляется, промежуток закрывается, и выступ оказывается во впадине соседа.

В формуле патента Sundback описаны направляющие поверхности. Наклонный конец каждого выступа «непрерывно переходит в углублённую сторону элемента, чтобы направлять взаимодействующий элемент поверх него и вводить в сцепление». Иными словами, небольшой перекос входящей головки исправляет наклон следующего зуба.

Клин снова открывает цепь

При обратном ходе закрытую цепь первым принимает ствол. В широком конце между ветвями стоит неподвижная перемычка с закруглённым остриём. Её часто называют ромбом, а патент описывает крышку «с остриём, входящим между расходящимися каналами». Здесь она названа клином.

Двигаясь вниз, бегунок отводит ряды наружу и вновь изгибает их. Промежутки между головками раскрываются, и каждый выступ может выйти из впадины. Клин занимает возникающий зазор и держит головки порознь. Ему не приходится самому разрывать сцепленную пару: к его острию изгиб уже освободил зубья. Лучше всего это видно на минимальной скорости при взгляде сверху сквозь прозрачный корпус.

Таков ответ на начальный вопрос. Бегунок не знает направления движения. Один и тот же канал изгибает ряды в обоих направлениях, а результат зависит лишь от того, с какого конца Y вошли зубья.

Числа в модели

Патентные чертежи показывают форму зубьев, но не размеры. Здесь выбраны значения, при которых модель выглядит и ведёт себя как обычная металлическая молния. Перечень поясняет, что именно показано.

• Шаг зубьев: один зуб каждые 2,54 mm на каждой ленте, то есть десять на дюйм. National Inventors Hall of Fame сообщает, что Sundback увеличил число элементов с четырёх до десяти на дюйм. Источник не уточняет, идёт ли речь об одной ленте или всей цепи. Применение к каждой ленте здесь принято для модели, а не получено измерением.
• Толщина зуба: 1,2 mm вдоль цепи. Два зуба, по одному с каждой стороны, заполняют один шаг, оставляя между поверхностями 0,07 mm.
• Головка: заходит на 0,9 mm за ось. Глубина чашечки составляет 0,35 mm.
• Канал: ряды сходятся по кривой, которая на первых 3 mm отводит каждый ряд на 0,05 mm, умноженные на квадрат расстояния. Затем идёт участок с наклоном 0,3, около 17 градусов к оси. У входа, в 10,5 mm от точки соединения, каждый ряд отстоит от оси на 2,7 mm.
• Клин: начинается в 7,5 mm в глубине канала и расширяется вместе с зазором, сохраняя не менее 0,45 mm до головок.

До создания модели эти значения проверили вычислением. Во всех положениях бегунка с шагом 0,16 mm поверхности каждого зуба сравнивались с соседними зубьями, стенками корпуса и клином. Для одного нового или изношенного бегунка, а также разъёмной молнии со штифтом пересечений нигде нет. Поэтому при обычном открывании и закрывании зубья не проходят друг сквозь друга.

В трёх местах проверка всё же находит пересечения, и модель не скрывает их. Это участок за раскрытием от наклонной тяги, область выпавшего зуба и вход рядов в нижний бегунок двухзамковой молнии. При движении вверх они закрываются без направляющего канала. Жёсткие зубья сталкиваются почти лоб в лоб и перекрываются до 0,6 mm. Настоящий зуб немного поворачивается, а тесьма поддаётся, обеспечивая переход без прохождения металла сквозь металл.

Одно число можно прочесть прямо на индикаторе. У нижнего ограничителя сцеплены 2 зуба из 52, наверху все 52. Между ними каждый пройденный шаг 2,54 mm сцепляет или освобождает по одному зубу на каждой ленте.

Ограничители и язычок

Без ограничителей бегунок сошёл бы с любого конца. Вверху за последним зубом на каждой ленте стоит небольшой металлический зажим. Эти верхние ограничители входят в ветви бегунка и не дают двигаться дальше. Снизу один зажим соединяет ленты под первыми зубьями и не позволяет открыть дальше. В патенте Sundback уже есть оба решения: детали, которые «входят в бегунок и ограничивают его запирающее движение при столкновении друг с другом», и соединительные звенья между половинами на другом конце.

Язычок подвешен на небольшой скобе сверху корпуса. Патент упоминает «кольцо, в которое можно поместить управляющую ленту или дугу». В модели язычок поворачивается по направлению тяги и падает при отпускании, как настоящий.

Почему молния расходится

Раскрытие позади бегунка не всегда означает сломанный зуб. Элементы соединяет именно бегунок. Если его канал изношен или разогнут, он перестаёт достаточно прижимать ряды, даже когда все зубья целы.

Это видно с включённым «Изношенным бегунком». Узкий конец слишком широк, и ряды достигают ствола, не прижавшись до конца. Головки выходят рядом, но выступы лежат снаружи впадин, а не внутри. Удерживать их нечему. Позади остаётся открытая цепь, и счётчик сцепленных зубьев перестаёт расти.

Обычный домашний ремонт состоит в очень лёгком сжатии задней части бегунка маленькими плоскогубцами. Действовать нужно осторожно: небольшая литая деталь может треснуть. Если ход просто тугой, каталог YKK советует не тянуть силой, иначе зубья могут сцепиться неверно. Вместо этого обе стороны зубьев натирают парафином или воском и двигают бегунок туда и обратно.

Семь типов на сцене

Металлическая молния появилась первой; именно её запатентовал Sundback. Сегодня каталог YKK выделяет три семейства: металл, спираль и литой пластик, который YKK называет VISLON. Регулятор «Тип молнии» и кнопки лаборатории меняют вариант. У всех одна схема цепи и один бегунок, поэтому принцип остаётся тем же.

Спираль. Вместо отдельных зубьев вдоль каждой ленты навита нить из полиэстера или нейлона. Каждый виток образует головку, и две спирали сцепляются в бегунке как металлические зубья. Каталог называет этот тип самым мягким из трёх. Он легко гнётся, поэтому модель ставит его на изогнутый вход в палатку. В хронологии YKK нейлоновая молния указана в 1952 году.

Литой пластик. Зубья отливаются прямо на тесьме. Каталог указывает полиацеталь (POM) и отмечает меньший вес по сравнению с металлической молнией того же размера. Зубья массивнее: высокий блок над шнуром и широкая неглубокая чашечка. YKK впервые продавала этот тип в 1961 году как молнию Delrin.

Потайная. Тесьма загнута назад поверх спирали. Спереди видны два сомкнутых сгиба, а не зубья. YKK датирует CONCEAL 1958 годом. Каталог рекомендует её для платьев и юбок, поскольку она не нарушает поверхность ткани. «Вид изнутри» позволяет смотреть сквозь сгиб.

Водозащитная. Спираль можно обратить внутрь, на изнанку. AquaGuard от YKK обычно устроена именно так, с ламинированной полиуретановой плёнкой поверх тесьмы. Её края сходятся посередине и закрывают строчку. Иная конструкция, PROSEAL, задерживает воду и воздух плотно сжатыми зубьями из нейзильбера на резиновой или пластиковой тесьме. Каталог задаёт давление воды от 0,2 до 1,0 bar и считает воздушную проверку пройденной, если 15 секунд не поднимаются пузырьки.

Два бегунка. В каталоге показаны варианты головками и задними концами друг к другу. В модели используется второй. Верхний работает обычно. Нижний перевёрнут широким концом вниз: при подъёме он расцепляет цепь под собой. Между бегунками она остаётся закрытой. Оба можно перетаскивать, нижний также перемещается регулятором «Нижний бегунок».

Разъёмная. Куртка должна разделяться полностью, поэтому нижнего ограничителя нет. Каталог называет коробку с закреплённым в ней штифтом на одной ленте и вставной штифт на другой. Бегунок стоит на коробке. Вставной штифт проходит через него в коробку, выравнивая ряды для начала движения. По инструкции бегунок опускают до коробки, штифт вставляют полностью, придерживают его сторону и тянут вверх. Регулятор «Вставной штифт» позволяет вынимать и возвращать штифт.

Номер размера обозначает ширину цепи

Номер не произвольный код модели. Каталог YKK следует JIS S 2015:2019 и делит молнии по ширине сцепленных зубьев. No. 3 относится к лёгкому классу (от 4,0 до 5,5 mm), No. 5 к среднему (от 5,5 до 7,0 mm), No. 8 к среднетяжёлому (от 7,0 до 8,5 mm), No. 10 к тяжёлому (от 8,5 до 12,0 mm). Эти значения есть в таблице лаборатории.

Стандарт задаёт и прочность. При поперечном растяжении средняя металлическая или пластиковая молния на тесьме из химического волокна должна выдерживать 300 N, спиральная 450 N. Зафиксированный металлический бегунок на металлической No. 5 должен удерживать 40 N до сдвига. Ширина модели No. 5 равна 6,6 mm и лежит внутри её класса. Регулятор «Размер» масштабирует всю модель до значений 4,8, 6,6, 7,8 и 10 mm внутри соответствующих классов.

Размер важен и для ткани. В каталоге описана молния No. 3 на толстом материале, у которой сломались нижние части. Ответ рекомендует No. 4 или больше для толстой ткани.

Что удерживает молнию закрытой

У ранних молний не было фиксатора. YKK объясняет проблему просто: при ходьбе сила тяжести могла опустить бегунок и расстегнуть одежду. Помогает стопорный штифт. В автоматическом фиксаторе он падает между зубьями при отпускании язычка. Если держать и тянуть язычок, штифт поднимается. Джинсовый бегунок полуавтоматический: он фиксируется, когда язычок прижат горизонтально вниз. У штифтового фиксатора штифты снизу язычка вдавливаются в зубья.

В модели «Стопорный штифт» показывает деталь под скобой. Включите «Растянуть стороны» и отключите фиксатор. Натяжение ткани толкает бегунок вниз, и молния медленно раскрывается, как перед куртки. YKK Asia называет багаж главным применением бегунков без фиксатора, где требуется свободное движение.

Как возникают неисправности

Кнопки лаборатории задают по одной неисправности. Большинство объясняет раздел каталога с проблемами и решениями.

• Наклонная тяга. Каталог предупреждает: подъём потайной молнии по диагонали деформирует зубья, и они перестают сцепляться. Дальнейшее усилие ломает застёжку. В модели угол больше 12°, заданный для модели, оставляет открытые ряды. Для ремонта нужно выровнять тягу, опустить бегунок ниже открытого участка и вновь поднять.
• Выпавший зуб. Соседним зубьям не за что держаться. Если пропуск ниже бегунка, а ткань растягивает стороны, цепь там раскрывается. Задание спрашивает, где остановить бегунок, чтобы молния держала.
• Изношенный бегунок. Как описано выше, ряды выходят рядом без сцепления.
• Штифт вставлен не до конца. На разъёмной молнии с тонкой спиралью можно силой поднять бегунок с наполовину вставленным штифтом, повредив нижние детали.
• Переполненная сумка. Силовое закрывание ломает зубья и тесьму. Сначала нужно вынуть часть вещей и свести стороны.
• Зажатая ткань. Бегунок осторожно отводят назад, постепенно освобождая ткань.
• Нагрев и химические вещества. Каталог ограничивает глажение спиральных и потайных молний температурой 160 °C, вязаной FLATKNIT 150 °C, литой VISLON 130 °C. Сера в резинках вызывает коррозию зубьев. Некоторые бегунки содержат никель; для контакта с кожей выпускаются детали без него.

Молнии, удерживающие воздух

Герметичные костюмы стали одним из самых трудных применений. В справке NASA о Project Mercury описан переделанный лётный костюм ВМС производства B.F. Goodrich. Надевание завершалось закрыванием входной молнии и защёлкиванием усиления поверх бегунка. Проект Goodrich Mark V для Apollo, ныне в National Air and Space Museum, имел диагональную молнию на торсе, но оказался слишком широким для трёх сидящих рядом астронавтов.

По брошюре ASME, на торсе Apollo было два затвора. Внутренний герметичный удерживал кислород, внешний принимал нагрузки, не допуская нагружения внутреннего. Последний служил недолго. Работа NASA о скафандре Shuttle указывает около 50 циклов открывания и закрывания для Apollo и примерно три замены на каждом лётном скафандре до запуска. В Shuttle его заменили металлическим кольцом, соединяющим верх и низ торса.

Регулятор «Вшито в» помещает молнию в куртку, сумку, вход палатки, белый костюм или джинсы. Ткань показана текстурой того же масштаба. Она поясняет расположение тесьмы, а не копирует конкретный предмет.

Отличия от настоящей молнии

У настоящей молнии есть небольшой люфт. В патенте 1917 года каждый зуб представляет собой чашечку, наружная поверхность которой входит во впадину соседней. Выступы и впадины соразмерены так, чтобы не касаться друг друга при поперечном изгибе. В модели зубья жёсткие, поэтому для зазора ряды изгибаются чуть сильнее настоящих.

Тесьма показана нарисованной программно текстурой плетения и остаётся плоской на столе. Настоящая вшита в одежду и тянет зубья в стороны, что тоже способствует росту раскрытого участка при изношенном бегунке. Корпус здесь собран из простых пластин. Настоящий представляет собой единую отливку с более плавно меняющейся внутренней формой.

Спиральные и литые варианты используют расположение цепи металлической молнии, но собственные формы зубьев. Поэтому их интервалы выбраны для модели. Сгиб потайной тесьмы, защитная плёнка и ткань следуют поверхностями вдоль краёв. Нижний бегунок двухзамковой молнии не опускается ниже 18,6 mm от нижнего конца: иначе клин вошёл бы в зубья. Настоящий нижний бегунок стоит ближе к ограничителю.

От крючков к бескрючковой застёжке

Whitcomb Judson из Chicago получил 29 августа 1893 года два патента: на «застёгивание обуви» и на «устройство замыкания и размыкания зажимов для обуви». По данным Lemelson-MIT Program, прототип часто заедал, но работал. Judson и его партнёр Lewis Walker вшили его в собственные сапоги. На Всемирной выставке Chicago 1893 года публика почти не обратила внимания на устройство. В нём были крючки и петли, а не чашечки. Оно заменяло шнурки, а не застёгивало одежду.

Их компания наняла шведского инженера Gideon Sundback в 1906 году. Он переработал механизм; Lemelson относит более надёжную версию к 1913 году. Заявка на описанную разъёмную застёжку подана 27 августа 1914 года, патент США 1,219,881 выдан 20 марта 1917 года и передан Hookless Fastener Company в Meadville, Pennsylvania. National Inventors Hall of Fame также приписывает Sundback машину, вырезавшую зубья из особой Y-образной проволоки и обжимавшую их на тесьме.

Название появилось позже. B. F. Goodrich Company поставила застёжку на резиновые галоши в 1923 году и назвала zipper по звуку. Smithsonian National Museum of American History хранит подлинный сапог Goodrich Zipper. Патентная модель Sundback из металла и ткани размером 12 на 1 дюйм показана на выставке American Enterprise. Музей отмечает, что на одежде молния распространилась лишь в 1930-х годах, заменив пуговицы мужской ширинки.

В Tokyo Tadao Yoshida основал San-S Shokai в январе 1934 года для выпуска и продажи застёжек и зарегистрировал знак YKK в 1946 году. Хронология YKK охватывает многие типы на сцене: нейлон в 1952 году, потайная CONCEAL в 1958-м, литая Delrin, ныне VISLON, в 1961-м, водонепроницаемая и герметичная нынешняя PROSEAL в 1983-м. Компания сообщает о выпуске более трёх миллионов километров молнии в год и более 100 000 зарегистрированных типов продукции только в Японии.