Поисково-исследовательская работа на тему: «Давление-очевидное и необходимое»

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

«КАМЕНСКИЙ ТЕХНИКУМ СТРОИТЕЛЬСТВА И АВТОСЕРВИСА»

Поисково- исследовательская работа

по теме:

«Давление- очевидное и необходимое»

Выполнили:

обучающиеся группы № 14

Булгаков Александр

Хоменко Александр

Руководители:

Преподаватель физики Семиколенова

Наталья Анатольевна

Мастер п/о Мячин Виктор Михайлович

Каменск-Шахтинский

2014 г.

Содержание

Введение …………………………………………………………………………..

1. Описание и ход проведения работы ….………………………..………………..

1.1. История изучения «Давления»………………………………………….….

1.2. Приборы для измерения давления ……………………………………..

1.3 Виды манометров …………………………………………………………...

1.4 Факторы, влияющие на надежность шин ……….………………………….

2. Опыты, наглядно показывающие существование атмосферного давления и его практического применения …………………………………………………..

2.1 Опыты по демонстрации давления …………………………………………

2.2 Опыты по демонстрации практического использования давления ………

2.3 Давление в шинах и температура ………..……………………………........

Заключение ………………………………………………………………………….

Литература ………………….……………………………………………………….

Приложения ………………………………………………………………………….

3

5

5

5

6

7

8

8

10

11

13

14

15

Введение

Летчики говорят, что воздух - это то, что дает опору нашим крыльям. Без воздуха не могли бы летать самолеты. Врачи утверждают, что воздух - это то, чем мы дышим. Без воздуха жить нельзя! А инженеры говорят: «Воздух - это прекрасный работник. Правда, он свободен, летуч, его не ухватишь. А вот если его собрать, запереть в подходящей посуде да хорошенько сжать, он многое может сделать.»

На применении воздуха основано действие различных пневматических устройств, он открывает и закрывает двери в автобусах, в троллейбусах и поездах, он смягчает все толчки и удары на неровностях пути. Одной из важнейших проблем, стоящих перед автомобильным транспортом, является повышение эксплуатационной надежности автомобилей. Решение этой проблемы, с одной стороны, обеспечивается автомобильной промышленностью за счет выпуска более надежных автомобилей, с другой - совершенствованием методов технической эксплуатации автомобилей.

Давление является одним из важнейших параметров различных процессов. Именно поэтому наш поисково- исследовательский проект называется: «Давление- очевидное и необходимое».

Проблема нашего исследования- очевидное проявление давления газа и целесообразность его использования в различных сферах деятельности человека.

Противоречия нашей исследовательской работы состоят между восприятием давления как данности и отсутствием опыта объяснения окружающих нас явлений; между потребностью в использовании давления и отсутствием такового опыта.

Объектом нашего исследования является - давление.

Предметом исследования выступает- комплекс опытов, способствующих демонстрации атмосферного давления и его практического использования.

Целью нашего исследования является демонстрации атмосферного давления и его применения, как на бытовом, так и профессиональном уровне.

Для реализации поисково-исследовательской работы нам предстояло решить ряд задач по нескольким направлениям:

• изучить исторические факты по накоплению и систематизации знаний о «Давлении»;

• подготовить таблицу единиц измерения данной физической величины;

• изучить приборы для измерения давления:

  • выделить из их числа, применимые для нашей профессии;

  • изучить устройство и принцип действия приборов для измерения давления;

• выявить факторы, влияющие на изменение давления в автомобильных шинах;

• подобрать комплекс опытов наглядно показывающих существование атмосферного давления и его практическое применение в быту и профессии 190631. 01 «Автомеханик»;

• сформировать материально-техническую базу для проведения и демонстрации опытов;

• построить график зависимости давления в автомобильных шинах от температуры воздуха;

• сформулировать рекомендации по эффективному и рациональному обеспечению работоспособности и реализации потенциальных свойств автомобиля, заложенных при его создании.

При выполнении проекта мы использовали следующие методы исследования:

опыт, наблюдение, анализ, обобщение и систематизация информации, полученной в результате работы с различными источниками информации и проведения опытов.

В качестве гипотез нашей поисково-исследовательской работы мы определили: демонстрацию проявления давления и его практическое и профессиональное использование и предположение о том, что систематический контроль давления колес, позволит значительно повысить срок эксплуатации автомобильных шин.

В нашей работе мы определили следующие этапы исследования:

• Подготовительный;

• Основной:

• поисково-исследовательский;

• оценочно-рефлексивный;

• Заключительный

1. Описание и ход проведённого исследования

На занятиях по «Физике», изучая раздел «Основы молекулярно-кинетической теории», мы познакомились с проявлением давления газа. Эта тема нам показалась интересной для углубленного изучения. Темой поисково-исследовательской работы мы определили: «Давление - очевидное и необходимое», обозначили ряд задач и приступили к их решению.

Для начала мы решили изучить исторический аспект данного вопроса. Нам хотелось узнать, кто из ученых накапливал и систематизировал знания о давлении.

1. 1. История изучения «Давления»

Существование воздуха известно человеку с древнейших времен. Греческий мыслитель Анаксимен, живший в VI веке до н.э., считал воздух основой всех вещей. Вместе с тем воздух представляет собой нечто неуловимое, как бы невещественное - «дух».

В эпоху раннего средневековья представление об атмосфере высказал египетский ученый Ал Хайсама (Альгазена). Он не только знал, что воздух имеет вес, но что плотность воздуха уменьшается с высотой.

До середины XVII века считалось непререкаемым утверждение древнегреческого ученого Аристотеля о том, что вода поднимается за поршнем насоса потому, что «природа боится пустоты».

Это утверждение в 1638 году привело в замешательство, когда не удалась затея герцога Тосканского украсить сады Флоренции фонтанами - вода не поднималась выше 10,3 м.

Недоумевающие строители обратились за помощью к Галилею, который пошутил, что вероятно, природа действительно не любит пустоты, но до определенного предела. Великий ученый не смог объяснить это явление.

Его ученик- Торричелли после долгих опытов, доказал, что воздух имеет вес, и давление атмосферы.

В 1648 г. опыт Блеза Паскаля на горе Пью-де-Дом доказал, что меньший столб воздуха оказывает меньшее давление. Вследствие притяжения Земли и недостаточной скорости молекулы воздуха не могут покинуть околоземное пространство. Однако они не падают на поверхность Земли, а парят над ней, так как находятся в непрерывном тепловом движении. В его честь названа единица измерения давления (механического напряжения) в международной системе измерений- Паскаль (обозначение: Пa). Существуют и другие единицы измерения данной физической величины (см. Приложение 1).

Много и плодотворно изучением атмосферного давления, занимался Отто фон Герике - бургомистр города Магдебурга. В мае 1654 г. Он поставил опыт, который явился наглядным доказательством существования атмосферного давления.

Для опыта подготовили два металлических полушария (одно с трубкой для откачивания воздуха). Их сложили вместе, между ними поместили кожаное кольцо, пропитанное расплавленным воском. С помощью насоса откачали воздух из полости, образовавшейся между полушариями. На каждом из полушарий имелось прочное железное кольцо.
Две восьмерки лошадей, впряженных в эти кольца, потянули в разные стороны, пытаясь разъединить полушария, но это им не удалось. Когда внутрь полушарий впустили воздух, они распались без внешнего усилия.

1.2 Приборы для измерения давления

Большое практическое значение имеет умение измерять атмосферное давление. Эти знания необходимы в прогнозировании погоды, в медицине, в технологических процессах и жизнедеятельности живых организмов. Для этих целей используют большое количество различных приборов, которые можно подразделить на:

а) манометры - для измерения абсолютного и избыточного давления;

б) вакуумметры - для измерения разряжения (вакуума);

в) мановакуумметры - для измерения избыточного давления и вакуума;

г) напоромеры - для измерения малых избыточных давлений (верхний предел измерения не более 0,04 МПа);

д) тягомеры - для измерения малых разряжений (верхний предел измерения до 0,004 МПа);

е) тягонапорометры - для измерения разряжений и малых избыточных давлений;

ж) дифференциальные манометры - для измерения разности давлений;

з) барометры - для измерения барометрического давления атмосферного воздуха

Использование различных типов измерительных приборов позволяет измерять давление от 10 до 10⁻¹¹мбар.

1.3 Виды манометров

Соблюдение правильного давления в шинах является одним из главных правил эксплуатации автомобиля. Решению этой задачи мы посветили следующий пункт нашей работы.

Манометры применяются во всех случаях, когда необходимо знать, контролировать и регулировать давление.

Манометры подразделяются по классам точности: 0,15; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 (чем меньше число, тем точнее прибор).

Для измерения давления воздуха в шинах существуют манометры различных типов. Самым простым вариантом датчика контроля давления в шинах является датчики в механическом исполнении.

Они могут быть стрелочные- довольно точны, но "боятся" падений и перегрузок большим давлением, из-за которого портится манометрическая пружина внутри манометра.

Механические манометры в виде "ручки", с цилиндрической пружиной гораздо надежнее, но, как правило, обладают меньшей точностью измерения.

Датчик давления в виде колпачков- одевается на ниппель шин. Его принцип работы заключается в механическом перемещении поршня в зависимости от давления.

При номинальном давлении датчика в 2 бара, на этом приборе виден зеленый цвет. Если давление снизилось до 1,7 бар, то появляется желтый индикатор. Когда же уровень давления в шине достигает отметки 1,3 бара и менее, индикатор становится красным.

Электрические датчики являются более точными и наиболее сложными в установке. Для легковой машины электрический датчик давления в шинах выглядит как комплект из четырех устройств, которые отслеживают давление, а иногда и температуру, в шинах и имеют один приемно-информационный (главный, основной) блок.

Между собой эти 4 датчика сообщатся с помощью радиосвязи, то есть сигнал посылается на главный блок, который и выводит информацию на дисплей в авто. Для того, чтобы срок службы электрического датчика машины не был слишком коротким, во время стоянки автомобиля сигналы поступают на блок через каждые 15 минут, а во время движения - через 5 минут. Но в случае изменения давления (более чем на 0,2 кгс/см²), датчик переключается автоматически в режим интенсивного измерения и передачи данных.

Электрический датчик, устанавливаемый на дисках авто. Для их установки разбортовывают шину и монтируют датчик непосредственно на обод диска около ниппеля, затем шину ставят на место и балансируют с учетом веса датчика, ведь его масса составляет порядка 30 граммов. К недостатком такого устройства можно отнести только сложность установки, а к преимуществам - высокую герметичность системы.

Электрические датчики давления - микрочипы. Микрочипы являются очень сложными, поскольку внутри шины устанавливается чип, куда закладывается вся информация о шине, то есть ее тип, размер, допустимая нагрузка, максимальная скорость, рекомендуемое давление и дата изготовления. Все это осуществляется еще на заводе изготовителе. Такая система способна распознавать любые изменения в шинах и сразу сообщать о них водителю (при включенном зажигании).

Как видите, ассортимент датчиков давления в шинах довольно широк, это позволяет каждому водителю выбрать именно то устройство, которое наиболее соответствует его потребностям (Приложение 2).

1. 4. Факторы, влияющие на надежность шин

Шина является одним из основных элементов автомобиля и существенно влияет на его эксплуатационные качества. От шин зависит тяговая и тормозная характеристика машины, ее устойчивость, безопасность движения, плавность хода, экономичность.

Существует два основных фактора, которые значительно влияют на давление в шинах. Это - температура окружающей среды и нагрузки. В нашей работе мы уделим внимание первому из них.

На некоторых автомобильных шинах указывается рекомендуемое давление для того, чтобы водитель видел, при каком давлении они сохраняют свою работоспособность, то есть не разрушаются.

Важным является тот факт, что давление воздуха в известных пределах может легко изменяться от условий эксплуатации, в результате чего можно желательным образом воздействовать на сопротивляемость шин уводу при эксплуатации автомобиля.

Значительное влияние на давление воздуха в шине оказывают погодные условия. Давление воздуха в шинах меняется при резкой смене погоды, от температуры раскаленного в течение дня на солнце асфальта, от увеличения температуры колес вследствие сил трения.

В накачанной по инструкции (Приложение 3) шине давление воздуха способствует равномерному распределению нагрузки в пятне контакта, что обеспечивает стабильность структуры покрышки. Известно, что это сказывается на характере ее износа, сопротивлении качению и долговечности.

В случае если давление в шинах слишком высокое, автомобиль становится более жесткой, увеличивается нагрузка на агрегаты подвески. При этом увеличивается тормозной путь - все это из-за уменьшения площади контакта шины с дорогой.

У недостаточно накачанной шины плечевая зона изнашивается быстрее, чем середина протектора (рис.1).

Пониженное давление делает колесо мягче, поездку приятнее, так как при этом поглощаются все неровности дороги. При этом снижается упругость шины, ускоряется ее износ, увеличивается расход топлива. Шина создает неравномерное распределение давления на поверхность дороги, она больше нагревается, разрушается ее каркас. Кроме того ухудшаются аквапланирование и сцепление с мокрой дорогой.

Рис.1 Изнашиваемость шин при различном давлении

В связи с вышеизложенным, можно сделать вывод о том, что на шину в процессе качения действуют различные по значению и направлению силы, в свою очередь, во многом зависящие от внешней нагрузки и температуры окружающей среды.

.

2. Опыты, наглядно показывающие существование атмосферного давления и его практического применения

2.1 Опыты по демонстрации давления

Для реализации этого пункта работы мы подобрали комплекс опытов, материально-техническую базу для их проведения и демонстрации существования атмосферного давления и его практического применения в различных сферах деятельности человека.

Эти и многие другие опыты действительно являются доказательством того, что атмосферное давление существует и оказывает воздействия на нас и окружающие нас предметы

2.2 Опыты по демонстрации практического использования давления

На существовании атмосферного давления основаны многие естественные для нас процессы и действия, приведем примеры некоторых из них.

Мы привели некоторые примеры использования атмосферного давления в повседневной жизни (см. Приложении 4), проявление такового в нашей профессиональной деятельности будет рассмотрено в следующем пункте нашей работы

2.3 Давление в шинах и температура

Рекомендуемое давление воздуха, находящегося в шинах автомобиля, является важным фактором, определяющим расход бензина и длительность срока их эксплуатации.

Мы провели серию опытов, устанавливающих зависимость между давлением и температурой. Результаты опытов представлены в табличном и графическом виде.

1 день

Температура, ⁰С

5

10

16

18

Давление, бар

2,0

2,15

2,25

2,30

2 день

Температура, ⁰С

4

10

15

19

Давление, бар

2,0

2,16

2,26

2,31

3 день

Температура, ⁰С

6

12

17

20

Давление, бар

2,0

2,1

2,25

2,32

Правильно выставленное давление в шинах увеличивает срок службы шин, а также обеспечивает безопасное движение. Водитель, который заботится о своей безопасности и о сохранности своего автомобиля, должен установить датчики давления в шинах. Эти электронные системы мониторинга позволяют постоянно контролировать давление и температуру внутри шин, благодаря чему можно отследить любую неисправность колес

Заключение

В ходе наших исследований мы выяснили, насколько важны знания о существовании атмосферного давления, что ничем кроме атмосферного давления нельзя объяснить протекание многих физических явлений. Мы были удивлены, что именно атмосферное давление определяет многие процессы в жизни и деятельности человека. Кроме того выявили факторы, влияющие на эффективность эксплуатации автомобильных шин. определили, что давление в шинах влияет на тяговую, тормозную, характеристику машины, ее устойчивость, безопасность движения, плавность хода, экономичность, длительность эксплуатации самих шин.

Изучили, принцип действия, достоинства и недостатки каждого вида датчика давления в автомобильных шинах.

По итогам поисково- исследовательской работы, с целью повышения безопасности движения и эксплуатационных качеств транспортного средства, готовы сформулировать рекомендации по реализации его потенциальных свойств:

• четко следовать инструкции по эксплуатации автомобильных шин, рекомендованных производителем;

• систематически диагностировать давление в шинах, при этом учитывать погодные условия;

• проводить дополнительный осмотр автомобиля перед дальними поездками.

В связи с вышеизложенным, можно сделать вывод о том, что давление помогает осуществлять многие физиологические процессы, необходимо специалистам различных профессий, требует систематического контроля и коррекции.

Эта работа углубила наши знания о «Давлении», расширила наши преставления о сферах его проявления и применения. Кроме того, считаем целесообразным продолжить исследование влияния давления на другие комплектующие транспортного средства.

Литература

1. Билимович Б.Ф. "Физические викторины в средней школе" Издательство "Просвещение", Москва 1968

2. Калисский В.С. Автомобиль. Учебник водителя третьего класса. М. Транспорт,1973

3. Камин А.Л.. Физика. Развивающее обучение. Книга для учителей. - Ростов-на-Дону: «Феникс», 2003.

4. Низе Г.. Игры и научные развлечения. - М.: Просвещение, 1958.

5. Перельман Я. И.. Занимательная физика: книга 1. - М.: ООО «Издательство АСТ»,2001.

6. Фундаментальные исследования //научный журнал №8, 2011

Электронные ресурсы удаленного доступа

1. nazdor.ru/topics/improvement/devices/current/463207/

2. znaj.net

3. gazeta.aif.ru/online/kids/113/de08_0

4. class-fizika.narod.ru/.

5. files.school-collection.edu.ru/dlrstore/

Приложение 1

Единицы измерения давления

Паскаль
(Pa, Па)

Бар
(bar, бар)

Техническая атмосфера
(at, ат)

Физическая атмосфера
(atm, атм)

Миллиметр ртутного столба
(мм рт.ст.,

mmHg, Torr, торр)

Фунт-сила
на кв. дюйм
(psi)

1 Па

1 Н/м²

10⁻⁵

10,197·10⁻⁶

9,8692·10⁻⁶

7,5006·10⁻³

145,04·10⁻⁶

1 бар

10⁵

1·10⁶ дин/см²

1,0197

0,98692

750,06

14,504

1 ат

98066,5

0,980665

1 кгс/см²

0,96784

735,56

14,223

1 атм

101325

1,01325

1,033

1 атм

760

14,696

1 мм рт.ст.

133,322

1,3332·10⁻³

1,3595·10⁻³

1,3158·10⁻³

1 мм рт.ст.

19,337·10⁻³

1 psi

6894,76

68,948·10⁻³

70,307·10⁻³

68,046·10⁻³

51,715

1 фунт/дюйм²

Приложение 2

Датчики контроля давления в шинах

Стрелочный манометр пружинного типа

(манометрическая труба)

Механический манометр (цилиндрическая пружина)

Механический манометр в виде колпачков,

которые одеваются на ниппель шин

Электрические датчики и

приемно-информационный блок

Электрический датчик,

устанавливаемый на дисках авто

Электрические датчики давления - микрочипы

1 - вентиль; 2 - обод колеса; 3 - чип; 4 - шина

Приложение 3

Технические характеристики некоторых автомобилей

Марка машины

Максимально допустимая нагрузка на шину и давление в шине

Минимально рекомендованная нагрузка на шину и давление в шине

нагрузка,

кгс

давление, кгс/см²

нагрузка,

кгс

давление, кгс/см²

ЗИЛ 130

3000

2

3000

1

МАЗ-543

5000

3

5000

1

УРАЛ-375Д

2500

3,2

2500

0,5

Марка машины

Размер шин

Давление в шине кг/см²

Передние колеса

Задние колеса

ЗИЛ-130

9,00-20

3,50

5,30

260-20

3,50

5,00

260-508Р

4,5

5,5

ГАЗ-21 «Волга»

6,70-15

1,70

1,70

185-15Р

1,90

1,90

Приложение 4

Использование атмосферного давления

Медицина

пипетки, банки, шприцы, ливер

В жизни человека

детские игрушки на присосках, мыльницы на присосках, вантуз, консервирование, фонтаны, забор жидкости шлангом, кости тазобедренных сочленений.

В природе

снежинки разной формы

В жизни животных

спрут, пиявки, мухи - присоски, сложные копыта свиней, жвачных животных, хобот у слона

Сельское хозяйство

барометрическая поилка, доильные аппараты, ливер, поршневой жидкостный насос.

Метеорология

предсказание погоды, народные приметы, природные «барометры»