Автор: ,
учитель физики высшей категории
МАОУ СОШ № 12 г. Бакал
г. Бакал, Челябинская область
2015 г
Цель урока:
- собрать модель пневматического манипулятора и изучить его возможности по подъёму перенесу груза, ознакомить учащихся с идеей престижности технологического образования, позволяющего достойно развивать экономику Челябинской области.
Задачи:
- расширять технический кругозор, учить применять знания в новой ситуации и грамотно объяснять происходящие физические явления; развивать умение анализировать схему сборки пневматического подъемника, поощрять творческий подход в решении проблемы, развивать активность учащихся, повышать интерес к предмету через конструирование; содействовать формированию взгляда на выбор достойной профессии развивать устную речь, познавательную активность учащихся.
Ход урока
1.Организационный момент. Приветствие учащихся.
2. Вводное слово учителя: 
Какие же профессии будут популярны в 2016 году? Уже несколько лет подряд усиливается спрос на рабочие специальности. Токарь, фрезеровщик, электрик, сантехник, монтажник, сварщик, мастер профессионального образования давно канула влету, особенно учитывая современные зарплаты настоящих мастеров. В промышленном сегменте постоянно
растет необходимость в инженерах практически всех специализаций, как в производстве, так и в строительстве.
Инженер-конструктор - совершенно необходимая профессия в современном мире. Благодаря этим людям у нас есть высококачественные машины, механизмы.
Согласно Официального сайта Главного управления по труду и занятости населения Челябинской области
ПРОФЕССИИ СЛУЖАЩИХ
№ п/п | Наименование профессии | 12.11.2014 г. | 15.10.2014 г. | ||||||
Кол-во вакансий | Кол-во состоящих на учете человек, всего | Коэффициент востребованности | Минимальная заработная плата | Максимальная заработная плата | Кол-во вакансий | Кол-во состоящих на учете человек, всего | Коэффициент востребованности | ||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
1 | музыкальный руководитель | 36 | 11 | 3,3 | 1625.00 | 20000.00 | 34 | 9 | 3,8 |
2 | производитель работ (ПРОРАБ) (в строительстве) | 34 | 15 | 2,3 | 9000.00 | 46000.00 | 34 | 17 | 2,0 |
3 | агроном | 89 | 45 | 2,0 | 10000.00 | 25000.00 | 46 | 44 | 1,0 |
4 | конструктор одежды | 5 | 3 | 1,7 | 10000.00 | 20000.00 | 4 | 4 | 1,0 |
5 | контролер | 16 | 11 | 1,5 | 5747.00 | 13500.00 | 17 | 11 | 1,5 |
6 | экспедитор | 46 | 33 | 1,4 | 2500.00 | 25000.00 | 53 | 37 | 1,4 |
7 | лаборант в разных сферах | 64 | 55 | 1,2 | 5518.00 | 17000.00 | 73 | 51 | 1,4 |
8 | геолог | 8 | 7 | 1,1 | 15000.00 | 65000.00 | 5 | 4 | 1,3 |
9 | воспитатель | 397 | 376 | 1,1 | 5554.00 | 30000.00 | 416 | 377 | 1,1 |
10 | инженер | 1006 | 954 | 1,1 | 5554.00 | 120000.00 | 1089 | 947 | 1,1 |
* Коэффициент востребованности – это соотношение по определенной профессии количества вакансий к количеству состоящих на учете человек, имеющих данную профессию (специальность). Чем выше коэффициент востребованности, тем больше возможностей для трудоустройства по данной вакансии.
Из-за низкого коэффициента востребованности, в данный рейтинг не вошли профессии экономист, юрист и бухгалтер
Наименование профессии | 12.11.2014 г. | 15.10.2014 г. | ||||||
Кол-во вакансий | Кол-во состоящих на учете человек, всего | Коэффициент востребованности | Минимальная заработная плата | Максимальная заработная плата | Кол-во вакансий | Кол-во состоящих на учете человек, всего | Коэффициент востребованности | |
экономист | 35 | 754 | 0,05 | 6000.00 | 27500.00 | 47 | 755 | 0,06 |
юрист | 29 | 521 | 0,06 | 3360.00 | 30000.00 | 36 | 506 | 0,07 |
бухгалтер | 112 | 1249 | 0,09 | 5554.00 | 40000.00 | 136 | 1260 | 0,11 |
Будни инженера-конструктора — разработка технологических схем, расчеты и чертежи узловых элементов и деталей механизмов. Но работа не заканчивается на стадии проектирования и расчетов. Слабые места конструкции выявляются на испытаниях. С помощью специальной диагностической аппаратуры конструктор может протестировать характеристики механизма в сотрудничестве с испытателями техники.
- Как раз сегодня на уроке я предлагаю вам собрать механизм из узловых элементов и протестировать его по различным физическим параметрам. Учащимся предлагается набор LEGO, технологические карты основной сборки. Обращает внимание, что ученики могут проявить творчество и внести возможные, исходя из имеющихся деталей, изменения в конструкцию пневматического манипулятора.
3. Работа учащихся по сборке пневматического манипулятора
Теоретическая база исследования
Сжатый воздух широко применяется в технике для приведения в действие всевозможных пневматических механизмов, приспособлений и инструмента. Слово «пневматика» произошло от греческого слова рнеῦмб — дыхание, дуновение, дух.
Пневматические устройства используют разность давления газа (чаще всего воздуха) для своей работы. Они находят широкое применение в промышленности. Подобно сети электроснабжения, на предприятиях устанавливают централизованную систему распределения сжатого воздуха. Обычно пневматические устройства используют поршни и клапаны для управления потоками газа (воздуха), но есть целая ветвь устройств, использующих особенности течения струй газа и жидкости в каналах определенной формы [1].
Манипулятор — машина цикличного действия, предназначенная для подъёма и перемещения в пространстве груза, удерживаемого грузозахватным органом. Рабочий цикл манипулятора состоит из трёх этапов: захват груза; рабочий ход (перемещение груза, разгрузка); холостой ход (возврат грузоподъёмного механизма в исходное положение).
Пневматический манипулятор является идеальным грузоподъемным средством для пожарно-взрывоопасных производств и имеет непревзойденное преимущество перед человеком в скорости и точности выполнения однообразных операций.
Пневматические системы обладают рядом достоинств:
- они могут быть очень мощными и быстродействующими при исключительно малых размерах и массе; воздух легче и дешевле жидкостей, используемых в гидравлических машинах; воздух нетрудно сжимать и хранить.
Поисковая часть
Опыт № 1
«Определение зависимости расхода потенциальной энергии воздуха от массы груза»
Оборудование: детали из набора конструктора LEGO, датчик давления, цифровая лаборатория Архимед.
В цилиндре находятся молекулы воздуха, которые двигаются со скоростью и ударяются со стенками цилиндра, оказывая на них давление. При сжатии воздуха в цилиндре частота ударов молекул о стенку на единицу площади увеличивается, и сила воздействия молекул на стенки возрастает. Эта сила и создает давление. Молекулы сжатого воздуха получают дополнительную потенциальную энергию. При работе системы энергия расширяющегося воздуха преобразуется в кинетическую энергию поршня, который будет совершать полезную работу [2].
Фото 1
Ход работы
Собрать манипулятор (Рис.1). Установить датчик давления, подсоединить его к Nova. Подключить одну из трубок манипулятора к датчику давления цифровой лаборатории Архимед. Взять емкость и подобрать предметы разной массы, которые можно в нее поместить. Включить Nova и запустить программу Multilab. Привести манипулятор в движение при помощи сжатого воздуха, поступающего из насоса или баллона, используя трехпозиционный пневмопереключатель. Определить, какое давление потребуется для захвата и подъема емкости с грузом на одну и ту же высоту. Повторить опыты, изменив массу груза. Сделать вывод о зависимости расхода потенциальной энергии воздуха от массы груза.Таблица 1
№ опыта | m, 10-3 кг | р1, кПа | р2, кПа | Др, кПа |
1 | 10 | 97,86 | 146,79 | 48,93 |
2 | 20 | 97,86 | 154,82 | 57,14 |
3 | 30 | 97,86 | 168,57 | 70,89 |
4 | 50 | 97,86 | 171,96 | 74,10 |
Фото 2
Вывод: увеличение массы перемещаемого груза вызвало необходимость создавать большее давление в пневматической системе, следовательно, для захвата и перемещения груза большей массы требуется большая потенциальная энергия воздуха.
Опыт № 2
«Определение зависимости расхода потенциальной энергии воздуха от высоты подъема груза»
Оборудование: детали из набора конструктора LEGO, датчик давления, цифровая лаборатория Архимед, линейка ученическая.
Ход работы
- Использовать установку собранного манипулятора (Фото 1). Включить Nova и запустить программу Multilab.
3. Привести манипулятор в движение при помощи сжатого воздуха, используя трехпозиционный пневмопереключатель.
4. Установив определенное давление воздуха, измерить высоту подъема груза. Повторить опыты, изменив давление воздуха. Сделать вывод о зависимости расхода потенциальной энергии воздуха от высоты подъема груза.
Таблица 2
№ опыта | р1, кПа | р2, кПа | Др, кПа | h, м |
1 | 130 | 127,68 | 2,32 | 0,047 |
2 | 138,5 | 129,29 | 9,21 | 0,056 |
3 | 140 | 130 | 10 | 0,062 |
4 | 148,57 | 135,36 | 13,21 | 0,089 |
5 | 151 | 136,6 | 14,4 | 0,109 |
Фото 3
Вывод: создавая большее давление в пневматической системе, получаем большую потенциальную энергию воздуха, которая преобразуется в механическую энергию, причем, чем больше давление воздуха, тем больше высота, на которую можно поднять груз.
Опыт № 3
«Определение зависимости давления воздуха от выполняемого манипулятором действия»
Оборудование: детали из набора конструктора LEGO, датчик давления, цифровая лаборатория Архимед.
Ход работы
Использовать установку собранного манипулятора. Включить Nova и запустить программу Multilab. Привести манипулятор в движение при помощи сжатого воздуха, поступающего из насоса или баллона, используя трехпозиционный пневмопереключатель. Начать замеры давления воздуха при переходе манипулятора из одного положения в другое. Сделать вывод о зависимости расхода потенциальной энергии воздуха от выполняемого действия.
Фото 4,5,6
Таблица 3
порядок действия | название действия | р, кПа |
А | «рука» вверх | 212,68 |
Б | поворот влево (вправо) | 222,32 |
С | «рука» вниз | 222,66 |
Д | захват открыт | 232,86 |
Е | захват закрыт | 235,89 |
Фото 7, 8
Вывод: изменение давления воздуха в системе, а, следовательно, и затраты энергии на выполнение манипулятором различных действий различны: менее затратный ход - C, более – Б.
Опыт № 4
«Определение зависимости давления воздуха от порядка выполняемых манипулятором действий»
Оборудование: детали из набора конструктора LEGO, датчик давления, цифровая лаборатория Архимед.
Ход работы
1. Использовать установку собранного манипулятора.
2. Включить Nova и запустить программу Multilab.
3. Привести манипулятор в движение при помощи сжатого воздуха, используя трехпозиционный пневмопереключатель.
4. Начать замеры давления воздуха при переходе манипулятора из одного положения в другое, выполняя определенные ходы.
5. Сделать вывод о зависимости расхода потенциальной энергии воздуха от хода выполняемых действий.
Таблица 4
№ опыта | порядок действия | р1, кПа | р2, кПа | Др, кПа |
1 | АБДСЕАБСД | 252 | 140,89 | 111,11 |
2 | АДБСЕАБСД | 251,6 | 138 | 113,6 |
3 | АБДСЕАБД | 252,2 | 150,5 | 101,7 |
4 | АДБСЕАБД | 252 | 150,7 | 101,3 |
5 | АБСЕАБСД | 252,55 | 142,5 | 110,05 |
6 | БСЕАБСД | 252 | 155,5 | 96,5 |
7 | БДСЕАБСД | 252 | 155,5 | 97 |
8 | ДБСЕАБСД | 252 | 157 | 95 |
Вывод: чтобы совершить полный рабочий цикл и вернуться в исходное положение, манипулятор должен произвести 8 движений. Если предмет не поставить, а уронить, не опуская «руки», то 7 движений. Среди выполняемых манипулятором циклов действий есть два (цикл 3– АБДСЕАБД и цикл 4 – АДБСЕАБД), при которых энергии тратится меньше, что позволит экономить ресурсы. Три последних цикла тоже экономичные, но исходя из безопасности использования манипулятора, не рекомендуется использовать данную цепочку действий.
Опыт № 5
«Расчет КПД пневматического манипулятора»
Оборудование: детали из набора конструктора LEGO, датчик давления, цифровая лаборатория Архимед, линейка ученическая.
Ход работы
1. Использовать установку собранного манипулятора.
2. Включить Nova и запустить программу Multilab.
3. Привести манипулятор в движение при помощи сжатого воздуха.
4. Начать замеры давления воздуха при перемещении манипулятором груза максимальной массы на максимально возможную высоту.
5. Используя экспериментальные данные, рассчитать КПД манипулятора.
з = 
Аполез = mgh Aзатр = pV
Таблица 5
Величины | Полезная работа Аполез, Дж | Затраченная работа Азатр, Дж | КПД, % |
Масса груза m, кг 0,02 | 0,15 | 0,55 | 27 |
Высота подъема груза h, м 0,125 | |||
Объем цилиндра V, м3 4,95∙ 10-6 | |||
Давление газа р, Па 111∙103 |
Вывод: полученные экспериментальные данные позволили рассчитать КПД данной модели пневматического манипулятора:
з = 27%
Заключение: обобщающие выводы по уроку
В результате проведенных исследований: 1) была создана модель пневматического манипулятора и изучены возможности данной модели подъемника, 2) была определена наиболее эффективная последовательность его движений при захвате и перемещении объектов, 3) рассчитан КПД манипулятора (з = 27%).
Проведенная работа помогла:
учиться конструированию; нахождению энергетически не затратных последовательностей действий; применению знаний об энергии на практике.Помимо выполнения основных задач исследования, в процессе работы было установлено, что манометр, входящий в комплект данного набора LEGO, не может фиксировать небольшие изменения давления воздуха в системе, поэтому для проведения исследовательской работы его использовать нельзя. Поэтому был использован датчик давления из лаборатории Архимед.
Список литературы
1. http://ru. wikipedia. org/wiki/
2. LEGO Educational. Пневматика.
