Тезисы к исследовательской работе на тему:
«Стеариновая машина»
Работу выполнил ученик 11 «в» класса ГОУ гимназии № 000 Пушкинского района Санкт-Петербурга Крюков Александр.
Руководители работы учителя физики -
, ,
научный консультант – .
Когда появилась эта задача?
Первые свечи появились достаточно давно. Делали их сначала из животного жира, а потом из пчелиного воска с тростниковым фитилем. Немного позже стали делать фитили из конопляных или хлопковых волокон. В 1816 году французским химиком Шеврелем была открыта стеариновая кислота, из которой также начали изготавливать свечи.
Абсолютно точно сказать нельзя, когда именно и кому пришла в голову идея стеаринового двигателя. Однако известно, что она упоминалась французом Артуром Гудом (Arthur Good), писателем конца 19 века, в еженедельном издании «La Science Amusante», которое включало в себя объяснения физических экспериментов, выполненных в быту, демонстрации известных геометрических теорем с различными объектами, развлечения и научные игры, а также небольшие работы любителей. Звучала задача следующим образом:
«Чтобы сделать этот мотор, нам не нужно ни пара, ни электричества, ни сжатого воздуха, ни бензина. Нам нужна для этого только... свеча.
Раскали две булавки и воткни их головками в свечу с двух сторон, посредине, перпендикулярно фитилю. Это будет ось нашего двигателя; положи свечу концами булавок на края двух стаканов и получше уравновесь. Если теперь зажечь свечу с обоих концов, капля стеарина упадет в одну из тарелок, подставленных под концы свечи. Равновесие нарушится, другой конец свечи перетянет и опустится; при этом с него стечет несколько капель стеарина, и он станет легче первого конца; он поднимется кверху, первый конец опустится, уронит каплю, станет легче, и... наш мотор начнет работать вовсю; постепенно колебания свечи будут увеличиваться все больше и больше…»
Цель работы:
Сконструировать двигатель, основанный на колебании закрепленной на игле и зажженной с двух концов свечи.
План проведения работы:
Проверить, будет ли система совершать незатухающие колебания
Установить, от каких параметров зависят колебания
Создать теоретическую модель двигателя
Сконструировать рабочий двигатель
Посчитать КПД и мощность двигателя.
Далее детально рассматривался каждый пункт плана, и были проведены необходимые опыты.
Для начала необходимо было убедиться, будет ли установка совершать колебания:
В ходе эксперимента было установлено, что уравновешенная на горизонтально расположенной игле и зажженная с двух концов свеча может совершать незатухающие колебания.
Почему же происходят колебания?
При сгорании свечи с ее концов капает парафин, и свеча наклоняется в сторону плеча с большей массой. Если капли падают с концов свечи поочередно, то она совершает колебания.
Но в случае с большой свечой такое изменение массы незначительно.
В ходе опыта было установлено, что свеча с большой массой также совершает колебания. Это происходит при образовании в свече желобка. При наклоне воск выливается из желобка и это приводит систему в колебательное движение.
Первичные выводы
• Для длительного совершения колебаний и большей стабильности установки свеча должна иметь большую длину и поперечное сечение (l>>>d).
• Необходимо крепление, позволяющее свече колебаться только в одной плоскости.
Теоретическая модель
Частота колебаний зависит от:
• Скорости сгорания свечи (изменения массы на концах плеч) –прямопропорционально
• Массы свечи и плеч – обратнопропорционально
Скорость сгорания свечи зависит от многих факторов: толщина свечи, толщина фитиля, его материал, а также различные условия внешней среды (ветер, насыщенность кислородом и т. д.)
Как превратить колебательное движение во вращательное?
Для этого была изготовлена система роликов. Один, из которых крепился в центре масс рейки, а другие на неподвижных осях. Нижние пары роликов соединены прямой и обратной петлей, а ролики, закрепленные на одной оси, вращались только в одну сторону друг относительно друга для обеспечения почти непрерывного поднятия груза.
Ролики без обратного хода
Для двигателя были изготовлены пары роликов с ограниченным ходом. Они представляли собой легкие деревянные блоки, на один крепились разогнутые скрепки-стопоры, на другом протачивались радиальные канавки для зацепа скрепок.
Параметры двигателя
• 
Lплеча = 74 см
• Мсилы трения= 0,059 м·Н
• R = 5 см
• r = 3 см
• mсвечи = 76 г
• mплеч = 113,5 г
• hза полн цикл = 4 см
• mгруза = 50 г
Расчет массы сгоревшего и расплавленного парафина
Экспериментально измерим массу свечи и расплавленного парафина
Пусть m – масса всей свечи, тогда:
0,58m – масса расплавленного парафина
0,04m – масса сгоревшего парафина
За полный цикл (для одной свечи):
Расплавилось – 3,4г
Сгорело – 0,23г
Подсчитаем КПД машины
 |
Аз = Q = qmпар,
где: mпар – весь парафин сгоревший за цикл,
q – удельная теплота сгорания парафина (q = 40 кДж/г).
Ап = mgh,
где: m – масса груза,
h – высота, на которую груз поднимается
 |
тогда:
Расчет КПД и мощности машины
 |  |
 |  |
Итоги работы
Был исследован механизм работы стеариновой машины и выведены основные закономерности процесса.
Была создана теоретическая модель с опорой на выведенные закономерности.
Была сконструирована рабочая модель стеариновой машины.
Были подсчитаны мощность и КПД стеариновой машины.
Использованная литература:
1. Кабардин курс физики, М., «Просвещение». 1979.
2. Ландсберг курс физики, М., «Наука». 1973.
3. Перельман физика, М., «Наука». 1979.
4. Перельман механика, М., «Наука». 1979.
5. Физика, М., «Наука». 1975.
6. Физический энциклопедический словарь, М., 1960.
7. Сайты сети Интернет
