ОГБПОУ «Томский автомобильно-дорожный техникум»
МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА УРОКА
по дисциплине "техническая механика"
Тема: УСТОЙЧИВОСТЬ РАВНОВЕСИЯ
Урок разработал:
преподаватель технической механики
Томск 2016
План урока
Дисциплина: Техническая механика
Тема урока: Устойчивость равновесия.
Тип урока: практико - ориентированный урок освоения новых знаний.
Вид урока: проблемный.
Цель урока:
Образовательная. По окончании урока обучающиеся должны:
- знать виды равновесия тел;
- уметь выяснять условия, при которых тела находятся в равновесии;
- уметь применить теоретические знания в практических ситуациях;
- уметь применить теоретические знания к конкретному оборудованию - трубоукладчику.
Развивающая: сформировать мотивацию к обучению на примере конкретной производственной проблемы; развивать профессиональный интерес.
Воспитательная: формировать чувство коллективизма при выполнении общего задания, бережного отношения к оборудованию.
Оснащение:
интерактивная доска, мультимедийное оборудование, презентация, видеоролики, раздаточный материал, тесты.
ХОД УРОКА
1. Вступление. 2 видео-ролика:
- Удачная укладка трубы. Трубоукладчики тоже падают. (Звук отключать!)
Понимание проблемы урока.
2. Тема, цели урока.
3. Повторение понятий статики:
сила, единицы измерения силы, момент силы, единицы измерения момента, условия равновесия, рычаг, условие равновесия рычага.
4. Объяснение нового материала. Виды равновесия: устойчивое, неустойчивое и безразличное.
Рассмотрим 3 случая покоящихся тел:
- имеющих точку опоры; имеющих ось вращения; опирающихся на плоскость.
5. ВОПРОСЫ по теме (слайды на экране)
6. ТЕСТ по теме. Самостоятельное оценивание по эталону.
7. Практическое применение изученного материала. Основные рабочие и паспортные параметры трубоукладчика.
- грузоподъемная сила, грузовой момент, вылет грузового крюка,
- момент грузовой устойчивости.
8. Выводы по решению проблемы урока. Рефлексия. Домашнее задание.
СЦЕНАРИЙ УРОКА.
1. Начнем урок с вступления, которым послужат 2 видео-ролика:
- Удачная укладка трубы. Трубоукладчики тоже падают. (звук выключать!!!)
Вопрос студентам: почему возникла такая ситуация?
ПРОБЛЕМА: потеря устойчивости трубоукладчиков.
2. Тема сегодняшнего занятия по технической механике имеет прямую связь с вашей профессиональной деятельностью : «Устойчивость равновесия»
Цели и задачи урока (слайд 2)
3. Сейчас мы вспомним основные понятия статики (вопросы студентам):
- Сила (единицы измерения?) - Ньютон Момент силы (единицы измерения?) - Ньютон Ч метр
Также мы знаем, что тело под действием системы сил находится в равновесии, если...
(слайд 3). Что же такое момент силы?
4. Известен с доисторических времен простой механизм – это (?вопрос студентам) рычаг.
Рычаг – это твердое тело, которое может вращаться вокруг своей оси.
Рычаг находится в состоянии равновесия, если (?вопрос студентам) момент 1-ой силы равен моменту 2-ой силы. То есть F1 l1 = F2 l2
5. А теперь познакомимся с видами равновесия (слайд 5). Их три типа: устойчивое, неустойчивое и безразличное.
У каждого студента раздаточный материал с кратким конспектом темы.
Рассмотрим 3 случая покоящихся тел:
- имеющих точку опоры; имеющих ось вращения; опирающихся на плоскость.
Начнем с тел, имеющих точку опоры.
Пример устойчивого равновесия – это шарик, который покоится на вогнутой плоскости.
Неустойчивое равновесие шарика на выпуклой поверхности в верхней точке.
Безразличное – на гладкой ровной поверхности.
Во всех случаях шарики находятся в равновесии, так как приложенные силы тяжести (mg) и реакции опоры N равны по модулю и противоположны по направлению.
Выведем шарик из положения равновесия. Силы будут направлены не по одной прямой и их равнодействующая F, найденная по правилу (? вопрос студентам) параллелограмма, стремится вернуть шарик в первоначальное положение в первом случае. И еще более удалить шарик от этого положения во втором случае.
Если шарик на горизонтальной поверхности, то силы остаются уравновешенными при любом смещении шарика.
Мы видим, что шарик стремится обладать минимально возможной потенциальной энергией mgh.
Рассмотрим тело, имеющее неподвижную горизонтальную ось вращения (слайд 6).
Если центр тяжести тела при его отклонении от положения равновесия поднимается, то сила тяжести G относительно неподвижной оси дает момент G h, направленный так, чтобы возвращать тело в прежнее положение равновесия.
Если центр тяжести тела при его отклонении от положения равновесия опускается, то сила тяжести G относительно неподвижной оси дает момент G h, направленный так, чтобы удалять тело от первоначального положения равновесия.
Если, при любом отклонении тела положение его центра тяжести остается неизменным (например, центр тяжести лежит на оси вращения), то сила тяжести момента не образует.
Условия устойчивости равновесия (слайд 7):
- Тела находятся в состоянии устойчивого равновесия, если при малейшем отклонении от положения равновесия возникает сила или момент силы, возвращающие тело в положение равновесия. Тела находятся в состоянии неустойчивого равновесия, если при малейшем отклонении от положения равновесия возникает сила или момент силы, удаляющие тело от положения равновесия. Тела находятся в состоянии безразличного равновесия, если при малейшем отклонении от положения равновесия не возникает ни сила, ни момент силы, изменяющие положение тела. Устойчиво положение тела, в котором его потенциальная энергия минимальна.
Рассмотрим тело, опирающееся на плоскость (слайд 8).
Повернем тело вокруг ребра в положение 2 так, чтобы линия силы тяжести оставалась по ту же сторону от ребра. Центр тяжести поднялся выше, сила тяжести G создает момент, стремящийся возвратить тело в прежнее положение равновесия. Это устойчивое равновесие.
Если повернем тело до положения 3, то есть так, чтобы линия силы G пересекла ось опоры, то момент не возникает, и тело с равной вероятностью может как возвратиться в первоначальное положение, так и упасть на правую грань. Это положение неустойчивого равновесия, так как малейшая сила может нарушить это равновесие.
Угол поворота тела из устойчивого положения в неустойчивое называется углом устойчивости. Этот угол тем больше, чем шире основание тела и чем ниже расположен его центр тяжести. Поэтому можно искусственно занижать центр тяжести тела, делая его нижнюю часть более тяжелой, чем верхнюю.
6. ВЫВОДЫ (слайд 9):
- Существует три вида равновесия: устойчивое, неустойчивое, безразличное. Устойчиво положение тела, в котором его потенциальная энергия минимальна. Устойчивость тел на плоской поверхности тем больше, чем больше площадь опоры и ниже центр тяжести.
7. ВОПРОСЫ студентам (слайды 10 - 14)
8. ТЕСТ по теме.
Сначала раздаю задания и листочки для ответов. Через 7 минут раздаю эталон и принцип оценивания. Тесты собираю.
9. (слайд 15) А теперь рассмотрим основные рабочие и паспортные параметры трубоукладчика, применяя теоретические знания механики.
10. (слайд 16)
У каждого студента раздаточный материал с кратким конспектом темы.
Основные рабочие параметры трубоукладчика :
- грузоподъемная сила, грузовой момент, вылет грузового крюка.
Основным паспортные параметры:
- момент грузовой устойчивости, грузоподъемность, масса, максимальное удельное давление гусеницы на грунт, др.
11. (слайд 17) Грузоподъемная сила – это способность трубоукладчика осуществлять подъемные работы с грузами, на которые он рассчитан (начиная от нуля и до наибольшего по весу). Сила исчисляется в тоннах (т).
Грузоподъемная сила трубоукладчика имеет максимальное значение при минимальных вылетах стрелы и с ростом вылета уменьшается.
12. (слайд 18) Поэтому мерой нагруженности трубоукладчика является не сама нагрузка (груз) Р, а грузовой момент Мгр, определяемый формулой:
Мгр = Рl, (1)
где l—вылет стрелы (вылет точки приложения груза).
Так как величины Р и l при работе трубоукладчика переменны, то и грузовой момент Мгр является переменной величиной. Грузовой момент исчисляется в тонна-метрах (тм).
13. (слайд 19) Из-за того что трубоукладчик должен нести нагрузку сбоку, в основу его силовой схемы положен классический рычаг первого рода.
14. (слайд 20) Из схемы следует, что вылет грузового крюка трубоукладчика есть удаление вертикальной линии действия внешней нагрузки Р от опоры рычага — грузового ребра 1 возможного опрокидывания трубоукладчика (аналогично последнему на трубоукладчике имеется контргрузовое ребро 3 возможного опрокидывания, относительно которого теряется устойчивость при крене в сторону контргруза).
15. (слайд 21) Из схемы следует, что трубоукладчик сохраняет грузовую устойчивость только при соблюдении неравенства:
Мгр ≤ Му, (2)
где Му = Glц. т, (3)
где My — момент грузовой устойчивости;
G — вес (сила тяжести) трубоукладчика;
lц. т — плечо центра тяжести трубоукладчика относительно грузового ребра 1 возможного опрокидывания (опоры рычага первого рода).
16. (слайд 22) Момент грузовой устойчивости (грузовая устойчивость) определяет способность трубоукладчика противостоять опрокидывающему воздействию внешних нагрузок и измеряется также в тонна-метрах (тм).
17. (слайд 23) Из сравнения формул (1) и (2) определена следующая формула для максимальной грузоподъемной силы трубоукладчика (Рмакс):
(4)
где lmin — минимальный рабочий вылет стрелы самого нагруженного последнего по ходу трубоукладчика.
Из формулы (4) следует, что ввиду постоянства значения Му грузоподъемная сила трубоукладчика на горизонтальной площадке с ростом вылета стрелы убывает от максимального значения по строго определенному закону. Характер этого закона для каждой марки машин можно выразить кривой линией. На графике по горизонтали отложен вылет стрелы, а по вертикали—грузоподъемная сила. График называется кривой грузоподъемной силы.
Рис.2 . Кривая грузоподъемной силы трубоукладчика KOMATSU D85C-21
18. (слайд 24) Рассмотрим более подробно, как рассчитывают и как увеличивают момент грузовой устойчивости My трубоукладчиков. Для этого формулу (3) момента устойчивости представим в более конкретном виде.
Момент грузовой устойчивости Му трубоукладчика определяют согласно схеме на рис.3 из суммы моментов сил тяжести (веса)
Рис. 3. Схема к расчету грузовой устойчивости трубоукладчика
тракторной части G1 этой машины, включая стрелу, и контргруза G2 относительно грузового ребра возможного опрокидывания:
Му = G1*l1 + G2*l2 (5)
где l1 и l2—удаление (плечи) центров тяжести каждого из двух перечисленных элементов трубоукладчика от грузового ребра при расположении этой машины на горизонтальной площадке.
19. (слайд 25) В качестве ребра опрокидывания 1 (рис. 4) принимается продольная ось 2 гусеницы, если трубоукладчик имеет ходовой каток 3 одноопорной конструкции или внешний край 5 гусеничного звена 7, если трубоукладчик имеет двухопорный ходовой каток 6.
Рис. 4. Схемы ходовых трубоукладчиков:
а — одноопорный;
б — двухопорный каток;
1—ребро возможного опрокидывания,
2—продольная ось катка (гусеницы),
3—одноопорный каток,
4 — гусеница,
5 — внешний край звена гусеницы,
6 — двухопорный каток,
7 — звено гусеницы
20. (слайд 26) Момент грузовой устойчивости и, следовательно, способность трубоукладчика противостоять опрокидыванию в сторону грузовой стрелы, как видно из формулы (5), зависят:
- от веса G1 тракторной части,
- веса G2 контргруза,
- от удаления l1 и l2 центров тяжести этих элементов от грузового ребра возможного опрокидывания, т. е. от размера колеи L ходовой части и вылета l2 контргруза.
Поэтому при необходимости увеличения грузовой устойчивости трубоукладчика используют:
- выбор серийных или изготовления специальных тракторных баз большого веса G1 и большой колеи L,
- увеличения силы тяжести G2. и вылета l2 контргруза.
Использование каждого из перечисленных способов повышения грузовой устойчивости ограничено определенными требованиями.
Так, способ специального увеличения массы G1 тракторного шасси каким-либо балластом ограничен необходимостью обеспечить трубоукладчику приемлемые ходовые качества;
способ расширения колеи L — требованием, согласно которому шасси трубоукладчика должно вписываться в железнодорожные габариты во избежание необходимости существенной его разборки при транспортировках;
способ увеличения вылета l2 контргруза — условием вписываемости машины при ее эксплуатации в параметры полосы отвода для производства работ;
способ увеличения массы G2 контргруза — условием обеспечения поперечной собственной устойчивости трубоукладчика.
21. (слайд 27)
Рис. 5. Схема к расчету собственной устойчивости трубоукладчика
Поперечной собственной устойчивостью называется его способность при незагруженной грузовой стреле противостоять опрокидывающему действию силы тяжести, (веса) контргруза. Собственная устойчивость характеризует предельные возможности в выборе массы контргруза и определяет соотношение моментов сил тяжести тракторной части G1, включая стрелу, и контргруза G2 относительно контргрузового ребра возможного опрокидывания
23. (слайд 28) Условием обеспечения собственной устойчивости трубоукладчика является соблюдение определенного отношения между моментом силы тяжести G1 и моментом силы тяжести G2, относительно контргрузового ребра возможного опрокидывания:
(6)
где l1` и l`2 — удаление (плечи) центров тяжести тракторной части и контргруза от контргрузового ребра при расположении трубоукладчика на максимально допустимом поперечном уклоне б в сторону контргруза;
К1 — коэффициент запаса собственной устойчивости трубоукладчика.
24. (слайд 29) Из формулы (9) выводится формула для определения максимально допустимой силы тяжести (веса) контргруза:
(7)
Собственная устойчивость трубоукладчика считается обеспеченной, если он с незагруженной и придвинутой грузовой стрелой и полностью откидным контргрузом помещен на уклоне б =10° в сторону контргруза и имеет при этом не менее 15%-ного запаса собственной устойчивости, т. е. К1 ≥ 1,15
25. (слайд 30) А теперь вспомним проблему, которую мы озвучили в начале урока. И попробуем предложить методы решения этой проблемы, пользуясь только что полученными знаниями.
26. Рефлексия. Какие выводы для себя вы можете сделать из сегодняшнего урока?
26. Оценки за урок.
27. Домашнее задание: конспект; поиск видео роликов о потере устойчивости оборудования, автомобилей и др. Объяснение причин потери устойчивости.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Паспорт трубоукладчика KOMATSU D85C-21.
