VIII городская научно-практическая конференция школьников «Первые шаги в науку»
Возрастная категория: «Юниор»
Секция: математика
Название работы:
«Игрушки из подручных материалов»
Автор работы:
г. о. Тольятти, МБУ лицей № 67, 6 В класс
Соавтор:
Научный руководитель:
,
учитель математики первой категории, МБУ лицей № 67
Тольятти
2013
Введение
Проблемный вопрос: Как создать игрушки из подручных средств?
Актуальность исследования:
В наше время в детских магазинах огромный выбор механических игрушек. Когда стоишь перед всем этим великолепием – сложно сделать выбор.
Нам стало интересно своими руками сделать движущееся устройство. Но все оказалось не так просто. Мы столкнулись с нехваткой знаний в области математики и физики.
Проблема: нехватка знаний в области математики и физики не позволяет нам создать модель двигателя для детской игрушки.
Цель: создать модель двигателя из подручного материала.
Предмет исследования: двигатели.
Объект исследования: процесс создания двигателя.
Гипотеза: можно создать двигатель для детской игрушки из подручных средств.
Задачи исследования:
Провести обзор литературы по теме «двигатели». Изучить различные виды двигателей. Создать двигатель из подручных материалов.1. Обзор литературы по теме «Двигатели».
Советский энциклопедический словарь так дает определение двигателя: Двигатель – энергосиловая машина, преобразующая какую-либо энергию в механическую работу. Подразделяют на первичные и вторичные. Первичные непосредственно преобразуют энергию природных ресурсов в механическую энергию. Вторичные двигатели получают энергию от первичных, от преобразователей и накопителей энергии.
История создания двигателя.
С древнейших времен люди нуждались в двигательной силе, которая бы приводила в приспособления для подачи воды на поля, вращали жернова, молотившие зерно, и т. д. В странах Древнего Востока, в Древнем Египте, индии для этой цели использовали животных и рабов.
На смену живым двигателям пришло водяное колесо – два диска на одном валу, между которыми помещались плоские дощечки – лопасти. Поток воды в реке давил на лопасти и поворачивал колесо, а через его вал движение передавалось, например, жерновам. В средние века водяные колеса приводили в действие прядильные и ткацкие станки.
В VII веке персы изобрели мельницу с крыльями. С появлением мельниц началась история ветряных двигателей, использовавшихся для того, чтобы молоть зерно, качать воду. На многих картинах средневековых художников и в книгах можно увидеть изображения ветряных мельниц и их описание.
Водяные колеса и ветряные двигатели вплоть до XVII века оставались единственными типами двигателей. В конце XVII - начале XVIII веков во Франции, Англии, Швеции и других странах делались неоднократные попытки использовать энергию пара – создать паровой двигатель.
Пригодным для практического применения был паровой двигатель, созданный в 1763 году русским механиком .
В 1784 году английский механик Дж. Уатт изобрел универсальный по по своему техническому применению двигатель – паровую машину.
Во второй половине XIX века появились два новых типа двигателей: паровая турбина и двигатель внутреннего сгорания.
Первые паровые турбины внешне имели много общего с водяными колесами, только на их лопасти давила не вода, а пар. По мере развития и совершенствования паровые турбины стали в наше время основными двигателями на теплоэлектростанциях. А на смену водяным колесам пришли гидротурбины, которые приводят в действие генераторы тока на гидроэлектростанциях.
Важнейшим этапом в развитии энергетической базы промышленного производства явилось изобретение и применение электрических двигателей. Принцип действия всех электродвигателей основан на следующем физическом явлении: проводник, по которому течет электрический ток, будучи помещен между магнитными полями, создаваемыми током, движется поперек силовых линий магнитного поля. Электродвигатели проще и надежнее всех других двигателей, они всегда готовы к работе, могут управляться на расстоянии, позволяют значительно улучшить эксплуатационные характеристики рабочих машин. Электродвигатели сделали возможным создание современных высокопроизводительных машин, агрегатных станков, автоматических линий, заводов-автоматов. Благодаря им появились удобный электрифицированный инструмент, разнообразные машины и приборы, помогающие человеку в быту (швейные и стиральные машины, холодильники, электробритвы и т. д.). С 70-х годов XX века в разных странах ведутся работы по изучению возможности использовать электродвигатель в качестве двигателя автомобиля, так как он не загрязняет окружающую среду.
В первой половине XX века был создан новый тип теплового двигателя – газотурбинный, основной частью которого стала газовая турбина. В таком двигателе жидкое топливо впрыскивается через форсунки в камеру сгорания, туда же компрессором нагнетается воздух. При сгорании топлива давление в камере возрастает, поток раскаленных газов, вырываясь через особые трубы – сопла, устремляется к лопастям газовой турбины, давит на них и заставляет турбину вращаться. Наибольшее распространение газотурбинные двигатели получили в авиации, где их называют турбореактивными двигателями. Газотурбинные двигатели используют также для привода электрогенераторов на тепловых электростанциях, в качестве тяговых двигателей газотурбовозов, большегрузных автомобилей и других транспортных средств, в том числе кораблей, катеров и подводных лодок.
В 1903 году в своей статье «Исследование мировых пространств реактивными приборами» впервые в мире описал основные элементы ракетных двигателей, которые являются разновидностью реактивного двигателя.
История развития техники, и особенно машинного производства, тесно связана с созданием и совершенствованием двигателей. И каков бы ни был двигатель – водяное колесо или газовая турбина, электродвигатель или дизель, он является машиной, преобразующей какой-либо вид энергии в механическую работу. Те двигатели, которые для получения механической работы используют природные энергетические ресурсы (топливо, поток воды, ветер и др.), называют первичными (например, паровая машина, гидротурбина, ветродвигатель). Двигатели, преобразующие в механическую работу энергию первичных двигателей, называют вторичными 9электрические, пневматические и др.). К двигателям относятся также устройства, способные накапливать механическую энергию, а затем, по мере надобности отдавать ее (инерционные, или маховиковые, пружинные и гиревые механизмы).
2. Виды двигателей внутреннего сгорания.
Один из самых распространенных двигателей – двигатель внутреннего сгорания. Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т. д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких двигателей. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания – бензиновые и дизели.
Бензиновые двигатели внутреннего сгорания работают на жидком горючем (бензине, керосине и т. д.) или на горючем газе. Основная часть двигателя внутреннего сгорания - один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда и название двигателя.
Дизель – другой тип двигателя внутреннего сгорания. Воспламенение в его цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух, предварительно сжатый поршнем и, следовательно, нагретый до высокой температуры. Этим он отличается от бензинового двигателя внутреннего сгорания, в котором особое устройство для воспламенения топлива.
Первый дизельный двигатель был построен в 1897 году немецким инженером Р. Дизелем.
Резиновый двигатель
Принцип действия резиномотора основан на свойстве резины возвращать часть энергии, затраченной на её растяжение. Чем лучше механические свойства резины, длиннее и толще жгут, тем больше энергии резиномотор может запасти, тем больше будет работать.
В спортивных моделях масса резиномотора определяется правилами соревнований. В комнатных авиамоделях она исчисляется 1,5 г, в авиамоделях побольше, скажем, чемпионатного класса категории F-1-B, масса может быть и 40 г. Отмеряют её на весах, причём резины берут немного меньше, чем надо, - двигатель ведь нужно ещё смазать, а это увеличит его вес.
Точно отмерить массу резины тоже своего рода наука. На рис.1 показано, как это делается. Обратите внимание на положение левой руки: она должна находиться на той же высоте, что и весовая поверхность, на которой лежит резина. Отрезают лишнее в нижней точке провиса.
Отмерив нужное количество, резину промывают в слабом растворе щелочи, а затем несколько раз ополаскивают в чистой воде. Вытирать и выносить на открытый воздух мокрую резину нельзя. Сушат её, завернув её в чистую ткань, в закрытом помещении при комнатной температуре. После сушки резину укладывают в пучок. Делают это на хорошо обструганной, зачищенной наждачной бумагой деревянной планке с двумя штифтами, один из которых – подвижный (рис 2). С одного из концов планки для него просверлены отверстия с промежутками 5 мм.
Установив штифты на нужном расстоянии, вы начинаете наматывать на них резину. Делаете это так, чтобы нити не провисали, но и не натягивались. На узел оставляете запас – примерно по 25 мм с обоих концов нити. Последний виток резины, на котором будет завязываться узел, сделайте чуть больше остальных – в этом случае нагрузка на узел будет меньше. Полученный пучок резины в 2-3 местах перевязывают тонкой резиновой нитью и снимают с планки (рис 3).
Допустимое число оборотов резиномотора можно рассчитать по формуле: = 4,15*L/?, где n – число оборотов свободного конца жгута; 4,15 – постоянный коэффициент (средний для большинства марок резины); L – длина жгута (в сантиметрах); S – площадь поперечного сечения нитей резиномотора (в квадратных сантиметрах).
Чтобы избавиться от трения, резиномотор смазывают глицерином, касторовым маслом, смесью глицерина и жидкого мыла или силиконовой смазкой. Смазанный жгут складывают в несколько раз, надевают на пучок резиновое колечко (см. рис 3, вверху) и укладывают в коробку.
На соревнованиях резиномотор заводят с помощью дрели, в патрон которой вставлен крюк (рис 4). Делают это обычно вдвоём: один закручивает жгут, другой держит модель.
3. Создание двигателя из подручных материалов.
Нами были изучены многие виды двигателей. Мы остановились на тех, которые можно создать в непромышленных условиях – это резиновые двигатели. Первая модель – «Движущаяся катушка», вторая модель – «Рогатка».
Первая модель «движущаяся катушка»
Эта модель состоит из:
Ø катушки,
Ø резинки,
Ø скрепки,
Ø гвоздя.
В этой работе мы хотим показать, что без знаний физики нам было бы сложно создать данное механическое устройство. Когда мы крутим, гвоздь от себя - катушка движется вперед. А если его прокрутить к себе, то она будет двигаться назад. И опять физика. А если мы добавим расчеты и постараемся, сделать задачу то получится как-то так:
Скорость катушки 15 см/с. За сколько секунд она проедет 60 см?
Решение:
60:15=2 с – за столько секунд она проедет 60 см.
Ответ:2 с.
Вторая модель «Рогатка».
Рога́тка — это метательное оружие, в котором ускоряемое тело (снаряд) приобретает энергию механической системы за счёт растянутого резинового жгута. Применяется для развлечения, для охоты, для метания различных предметов и иногда как оружие. Экземпляры рогаток, специально сконструированные на повышенную мощность и использующие снаряд оптимальной формы и плотности, могут служить опасным оружием и наносить серьёзные ранения. Очевидна пригодность этого оружия для самозащиты от собак и волков, добывания мелкой дичи в экстремальной ситуации.
Как и многие другие виды оружия, рогатка относится к изобретениям Леонардо да Винчи. Близкими родственниками рогатки являются диверсионные резиновые "арбалеты" времен Второй мировой войны.
Достоинства рогатки:
Довольно высокая скорость метания.
Простота изготовления.
Компактность.
Практическая бесшумность (лишь легкий хлопок резины, что очень важно при охоте).
Доступность бесплатных снарядов: камни округлой формы и др.
Не требует источников энергии.
Легко ремонтируется.
Рогатка — простое по своему технологическому устройству оружие, тем не менее, состоит из нескольких узлов:
- Собственно рогатка или рогачёк: служит для крепления метательного жгута, удержания рогатки при выстреле, прицеливания.
- Метательный жгут, тетива или тяги: служит для накопления потенциальной энергии при растяжении (натягивании).
- Кожеток, седло или пята (место, куда укладывается снаряд): служит для захвата, удержания снаряда перед и во время выстрела. При стрельбе металлическими скобами-пульками может отсутствовать.
Заключение
В ходе своей работы мы провели обзор литературы по теме «Двигатели», рассмотрели некоторые виды двигателей и поняли, что в промышленных условиях можно изготавливать самые сложные виды двигателей. Но в домашних условиях, из подручных материалов можно создать только простейшие, например, резиновый двигатель.
Гипотеза, поставленная нами в начале нашего исследования подтвердилась: можно создать двигатель из подручных материалов и использовать его в играх.
Практическим результатом является создание моделей двигателя: «движущаяся катушка» и «рогатка» - пример резинового двигателя..
Список литературы.
1. «Большой энциклопедический словарь» - М.: Советская энциклопедия, 1989г.
2. , «Энциклопедический словарь юного техника» - М.: Педагогика, 1984г.
3. «Энциклопедический словарь юного физика» - М.: Педагогика, 1984г.
Аннотация
Игрушки из подручных материалов.
, ,
г. о. Тольятти, МБУ лицей № 67, 6 «В» класс.
Данная работа позволяет ученикам заглянуть за пределы того материала, который изучается в школьном курсе математики и физики, позволяет устанавливать межпредметные связи. На уроке физики встал вопрос изготовления механических игрушек своими руками из подручных материалов, на уроке математики – применение формул и произведение различных расчетов. И, прежде чем приступить к изготовлению простейших моделей двигателя, ребятами было изучено большое количество литературы по данной теме.
В ходе исследования авторы подтвердили свою гипотезу. Выступили перед учениками класса, рассказали о своей деятельности, чем заинтересовали других ребят.
В дальнейшем, знания ребят и результат их деятельности можно применять у младших школьников, что позволит привить интерес к точным наукам.
Цель работы: создать модель двигателя из подручных материалов, которую можно применять в играх.
Предмет исследования: двигатели.
Объект исследования: процесс создания двигателя для игр.
Гипотеза: можно создать двигатель для детской игрушки из подручных средств.
Мы провели опрос среди одноклассников: какую сумму вы затратили на подарки своим братьям и сестрам?
Оказалось, что каждый из ребят, у которых есть братья и сестры, в среднем затратили на подарки около пятисот рублей (деньги ребятами были сэкономлены).
Мы же на подарки практически не тратились. Все, что нам потребовалось – катушка, гвоздь, резинка, воздушные шарики и другие подручные материалы.
Нами были сделаны: рогатка, двигающаяся катушка, арбалет.
Помимо явной экономической выгоды мы получили массу эмоций и интересных разговоров с дедушкой, который помогал в изготовлении игрушек; затем – общение с двоюродными братьями, которым наши подарки пришлись по-душе.
Все новогодние каникулы мы провели у бабушки в деревне, там-то и пригодились наши поделки. Вращающаяся катушка очень понравилась нашему коту.
Вывод: Игрушки своими руками – это экономия денег, приобретение новых знаний в области физики и математики, незабываемое время общения с дедушкой.
