Указания по выполнению внеаудиторной самостоятельной работы по разделу Механика

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ МУРМАНСКОЙ ОБЛАСТИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ МУРМАНСКОЙ ОБЛАСТИ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАНДАЛАКШСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ»

(ГАОУ МО СПО «КИК»)

Выполнение

внеаудиторной самостоятельной работы

по разделу «Механика»

(дисциплина «Физика»)

Работу выполнил

обучающийся группы 161-1

по профессии «Машинист»

ФИО

Проверил работу

преподаватель физики

Некрасова Вера Геннадьевна

г. Кандалакша

Рекомендации к теоретической подготовке

Теоретическая подготовка необходимая для выполнения внеаудиторной работы (проведения физического эксперимента, решение расчётных заданий, работа с таблицами, номограммой), должна проводиться обучающимися в порядке самостоятельной работы. Ее следует начинать внимательным разбором инструкции к данной работе.

Особое внимание в ходе теоретической подготовки должно быть обращено на понимание физической сущности процесса. Для самоконтроля в каждой работе приведены контрольные вопросы, на которые обучающийся обязан дать четкие, правильные ответы. Теоретическая подготовка завершается предварительным составлением отчета со следующим порядком записей:

Название работы.

Цель работы.

Оборудование и материалы.

Ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин).

Расчеты - окончательная запись результатов работы.

Вывод.

Ответы на контрольные вопросы по работе.

Внеаудиторные самостоятельные работы по разделу «Механика» направлены на освоение обучающимися результатов, отраженных в программе по дисциплине «Физика».

Письменные инструкции к каждой работе, приведенные в данном пособии, не только позволяют определить порядок выполнения работы, но предполагают контрольные вопросы по каждой теме.

Указания по выполнению внеаудиторных самостоятельных работ

К выполнению внеаудиторных самостоятельных работ (лабораторных или практических) необходимо подготовиться: внимательно прочитать задание, выяснить, к какому разделу это задание относится, и какие законы надо использовать. Кроме описания работы в инструкции, используйте рекомендованную литературу и конспект лекций.

Приступая к внеаудиторным работам, необходимо:

• получить у преподавателя задание, требуемые для выполнения работы, или инструкции к этим заданиям;

• разобраться в назначении задания и цели выполнения;

• проанализировать условие задания (что дано? что известно?);

• выяснить физический смысл задания (о каких явлениях, фактах, свойствах или состояниях говорится в нем. Какая связь существует между ними?).

Проведение опыта или измерений в домашних условиях

При выполнении внеаудиторных самостоятельных работ измерение физических величин необходимо проводить в строгой, заранее предусмотренной последовательности.

Особо следует обратить внимание на точность и своевременность отсчетов при измерении нужных физических величин. Например, точность определения расстояния или размеров зависит от погрешности измерительного прибора, а точность измерения времени с помощью секундомера зависит не только от четкого определения положения стрелки, но и в значительной степени - от своевременности включения и выключения часового механизма.

При проведении эксперимента результаты измерений и расчетов записывайте четко и кратко в заранее подготовленные таблицы.

При обработке результатов измерений:

а) помните, что точность расчетов не может превышать точности прямых измерений;

б) результаты измерений лучше записывать в виде доверительного интервала.

Отчеты по практическим и лабораторным работам оформляются согласно требованиям и должны включать в себя следующие пункты:

- номер, название выполняемого задания (решение задачи, лабораторная или практическая работы), его цель;

- используемые приборы, инструменты, средства измерения, материалы и таблицы;

- порядок выполнения лабораторной или практической работы;

- далее пишется «Ход работы» и выполняются этапы работы, согласно приведенному порядку записываются требуемые теоретические положения, результаты измерений, обработка результатов измерений, заполнение требуемых таблиц и графиков, по завершении работы делается вывод.

При подготовке к сдаче практической или лабораторной работы, необходимо ответить на предложенные контрольные вопросы.

Если отчет по работе не сдан во время (до выполнения следующей работы) по неуважительной причине, оценка за работу снижается.

Желаем удачи!

Практическая работа по теме

«Исследование тормозного пути пассажирского поезда по номограмме»

Цель: исследовать тормозной путь пассажирского поезда по номограмме. Закрепить теоретический материал по разделу «Основы торможения». Научиться рассчитывать тормозной путь по номограмме.

Оснащение: Инструкция по эксплуатации тормозов подвижного состава ЦТ-ЦВ-

ЦЛ-ВНИИЖТ/277, номограмма, таблица «Время подготовки тормозов»

Методические указания.

Тормозной путь - это расстояние, проходимое поездом от момента установки ручки крана машиниста в тормозное положение до полной остановки поезда.

Сила - это всякое воздействие на данное тело, сообщающее ему ускорение или вызывающее его деформацию. Сила - это векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел. Сила характеризуется числовым значением, направлением в пространстве и точкой приложения.

За единицу силы в СИ принят ньютон [Н]. Ньютон - это сила, которая придает массе 1 кг в направлении действия этой силы ускорение 1 м/с²: 1Н = 1 . В технических измерениях допускаются единицы силы: 1 кгс (килограмм-сила) = 9,81 Н; 1 тc (тонна-сила) = 9,81·10³ Н.

Силу измеряют посредством динамометров, силоизмерительных машин и прессов, а также нагружением при помощи грузов и гирь.

Определение тормозного пути по номограмме

локомотивной бригадой по таблицам в зависимости от расчетного тормозного коэффициента,

скорости начала торможения и крутизны спуска.

Таблица №1

Правила работы по номограммы.

Номограмма - семейство кривых, из которых каждая помечена определенной скоростью. На поле номограммы указывается крутизна спуска в тысячных долях и служит номограмма для графического расчета. Строят номограммы по результатам расчетов тормозных путей при экстренном торможении. В них указываются длины тормозных путей в зависимости от расчетного нажатия колодок на 100 тс веса поезда для различных начальных скоростей и уклонов. Номограммы тормозных путей строятся отдельно для подвижного состава на чугунных и композиционных тормозных колодках. Смысл каждой кривой на номограмме следующий: например, кривая «80» показывает, как меняется тормозной путь грузового груженого поезда, следующего с одной и той же скоростью 80 км/ч при различных нажатиях тормозных колодок, приходящихся на каждые 100 тс состава. Исследуем кривую «80». Допустим, поезд обеспечен нажатием в 30 тс на 100 тс. Необходимо выяснить, какой протяженности тормозной путь этот поезд пройдет со скорости 80 км/ч при выполнении экстренного торможения. Для этой цели из отметки «30тс» на горизонтальной оси поднимаем перпендикуляр до кривой «80», а с этой точки пересечения проводим горизонтальный луч до вертикальной оси и на вертикальной оси читаем ответ: 1500м. Это и есть тормозной путь грузового поезда.

Номограмма для определения тормозного пути пассажирского поезда, оборудованного чугунными колодками, на спуске 0,006 (сплошные линии - электропневматическое торможение, штриховые - пневматическое).

Расчётное нажатие тс, приходящееся на 100тс веса состава.

График №1

Исходные данные.

Таблица № 2

№

п/п

Вид состава

Величина уклона

Вид торможения

Способ, метод торможения

Коэффициент нажатия в тс на 100^тс

Скорость движения

V, (км/час)

Тормозной путь

S_т (км)

1

пассажирский

0,006%

ПТ

экстренное

60

100

2

пассажирский

0,006%

ЭПТ

ПСТ

80

700

3

пассажирский

0,006%

ПТ

экстренное

50

800

Для выполнения заданий необходимо использовать инструкцию ЦТ-ЦВ-ЦЛ-ВНИИЖТ/277.

Задание.

Задание №1. Необходимо определить тормозной путь пассажирского состава, следующего по 0,006% уклону со скоростью 100 км/ч, выполняющего экстренное торможение, коэффициент нажатия 60 тс на 100 тм, состав оснащен пневматическим тормозом.

Задание №2. Необходимо определить коэффициент нажатия пассажирского состава, следующего по 0,006% уклону со скоростью 80 км/ч, выполняющего полное служебное торможение, тормозной путь составил 700м, состав оснащен электропневматическим тормозом.

Задание №3. Необходимо определить скорость движения пассажирского состава, следующего по 0.006% уклону, выполняющего экстренное торможение с коэффициентом нажатия 50 тс, тормозной путь составляет 600м. Состав оснащен пневматическими тормозами.

Расчет тормозного пути.

В проекте необходимо решить тормозную задачу для определения тормозного пути, коэффициента трения при допустимых скоростях движения на различных спусках по условиям безопасности движения поездов. Тормозное нажатие - это сила, с которой тормозные колодки прижимаются к колесу локомотива или вагона. Измеряется в тоннах на ось. Сила трения между колесом и тормозной колодкой зависит от коэффициента трения и величины нажатия: F_тр = F_н · µ, где F_тр - сила трения, F_н - сила нажатия, µ - коэффициент трения.

Коэффициент трения для определённого типа тормозной колодки - величина не постоянная и зависит от скорости движения поезда и удельного давления колодки на колесо. Для того чтобы исключить зависимость коэффициента трения от силы нажатия, при проведении тормозных расчётов используется условно принятое расчётное тормозное нажатие К_P. Коэффициент трения для расчётного нажатия называется расчётным коэффициентом трения φ_KP. По мере снижения скорости поезда коэффициент трения увеличивается. Величины расчётного нажатия для различных типов локомотивов, вагонов и их загрузки, материала колодок приведены в таблицах, величины расчётных коэффициентов трения вычисляются для интервалов скоростей.

Отношение суммарного расчётного нажатия к весу поезда называется расчётным тормозным коэффициентом:

µ_р = , где µ_р - расчётный тормозной коэффициент;
Р_л - вес локомотива, Р_л = m_л·g , m_{л -} масса локомотива, g = 9,8 м/с²
Р_в - вес вагонов поезда, Р_в = m_в·g, m_{в -} масса вагонов поезда , g = 9,8 м/с²

Расчётный тормозной коэффициент характеризует обеспеченность поезда тормозным нажатием. Величина тормозного нажатия на 100 т веса поезда численно равна расчётному тормозному коэффициенту, выраженному в процентах. Поезд должен быть обеспечен тормозным нажатием согласно нормы для его категории.

В расчётах, где учитывается применение экстренного торможения, расчётный тормозной коэффициент принимается равным его полному значению. Если учитывается применение полного служебного торможения, расчётный тормозной коэффициент принимается равным 0,8 его расчётной величины.

Тормозная сила поезда возникает не сразу после поворота рукоятки крана машиниста в тормозное положение. Нужно время на распространение воздушной волны по тормозной магистрали поезда, срабатывание воздухораспределителей, перемещение тормозной рычажной передачи и тормозных колодок к бандажам и на увеличение нажатия колодок до установившейся величины. Причем тормоза вагонов передней части поезда срабатывают быстрее, чем хвостовых вагонов. Для упрощения расчетов принимают, что какое-то время t_п в период подготовки тормозов поезд движется на выбеге, а затем сразу включаются тормоза всего поезда и начинается торможение. В период подготовки тормозов поезд пройдет какой-то путь, зависящий от средней скорости движения и времени подготовки. Скорость движения поезда за время подготовки тормозов снижается при следовании по подъему или горизонтальному пути и возрастает при движении по крутому спуску. В расчетах же условно принимают эту скорость постоянной, равной скорости в начале торможения, а ее изменения компенсируют увеличением времени подготовки тормозов на спусках и уменьшением - на подъемах.

Величина пути подготовки тормозов к действию определяется по формуле № 1:

S_п = , где = _н = const, _н - любая выбранная скорость начала торможения, выраженная в «км/ч», (обычно ее принимают равной максимальной скорости электровоза);

t_п - время подготовки (расчетная формула в таблице № 3). Время подготовки тормозов к действию определяется из условия замены медленного, реального процесса наполнения тормозного цилиндра среднего вагона, мгновенным наполнением до полной величины, при условии равенства тормозных путей, проходимых поездом при реальном и условном наполнении тормозных цилиндров.

Таблица № 3 «Время подготовки»

№ п/п

Число осей в составе

Расчетная формула

1.

200 осей и менее

t_п = 7 -

в этих формулах:

i - величина уклона, ‰ для которого рассчитывают S_п (для спусков величина берется с отрицательным знаком «-»); µ_р - расчетный тормозной коэффициент; µ_кр - расчетный коэффициент трения колодки о бандаж, определяемый при выбранной скорости _н

2.

более 200 осей (до 300 осей)

t_п = 10 -

3.

более 300 осей

t_п = 12 -

Расчетное значение коэффициента трения:

а).для стандартных чугунных колодок определяем по формуле 2

µ_кр =

б). для чугунных колодок с повышенным содержанием фосфора по формуле 3

µ_кр =

в). для композиционных колодок по формуле 4

µ_кр =

Расчетный тормозной коэффициент поезда µ_р показывает, сколько тонн нажатия тормозных колодок приходится на одну тонну веса поезда.

Тормозным путем называется расстояние, проходимое поездом за время от момента перевода ручки крана машиниста или стоп-крана (крана экстренного торможения) в тормозное положение до полной остановки. Тормозной путь S_т при расчетах принимают равным сумме подготовительного пути S_п (предтормозного) и действительного пути S_д торможения: S_т = S_п + S_д. Действительный тормозной путь при автостопном торможении определяется так же, как при экстренном торможении, а время подготовки тормозов к действию рассчитывают с учетом дополнительных 12 секунд необходимых для срабатывания ЭПК автостопа. За время прохождения поездом предтормозного пути тормоза в действие еще не пришли, а к концу предтормозного пути происходит мгновенное повышение тормозной силы до максимального значения, т. е. тормозная сила поезда повышается не постепенно, а мгновенно, спустя некоторое время, называемое временем подготовки.

Задание.

1. Определить расчетное значение коэффициента трения по формулам 2,3,4 и время подготовки тормозов к действию по формулам из таблицы №3 для трех уклонов (i = 0, i = - 6, i = -12 ‰).

Написать отчет по работе, составить таблицу по выполнению задания и внести результаты вычислений в эту таблицу.

2. Определить подготовительный тормозной путь для трех уклонов по формуле 1.

Практическое задание

по теме «Коэффициент трения тормозных колодок»

Сила трения F_тр между колесом и колодкой оказывается в несколько раз меньше силы Fн нажатия колодки на колесо. Отношение µ (φк) в механике называется «коэффициент трения» и обозначается в тормозных расчетах µ_р .
Величины коэффициентов трения определяют опытным путем на специальных стендах или посредством торможения составов из нескольких одинаковых вагонов. Этот сцеп разгоняется локомотивом-толкачом до максимальной скорости, после чего толкач отстает, а поезд тормозится с определенной силой нажатия колодок.

Основными факторами, влияющими на величину коэффициентов трения, являются скорость движения, удельная сила нажатия колодки на колесо и материал колодки. С уменьшением скорости движения коэффициент трения увеличивается. Машинистам это хорошо известно практически: по мере уменьшения скорости ощущается усиление тормозного эффекта (замедление поезда), особенно при чугунных колодках.

С увеличением силы нажатия Fн коэффициент трения снижается, но это не значит, что с ростом Fн сила трения Fтр увеличивается, но не пропорционально Fн.

Пример решения.

При скорости V=70 км/ч и нажатии Fн = 1 тс коэффициент трения чугунной колодки µ_р (φк) = 0.146. Значит, сила трения колодки Fтр = µ_р ·Fн = 0.146 тс. При увеличении силы нажатия в два раза. т. е. Fн =2 тс. при той же скорости 70 км/ч коэффициент трения оказывается меньше: µ_р = 0.115. Сила же трения составит Fтр = 0.230 тс., т. е. увеличилась, но не в два раза, а только в 1,57 раз. При увеличении силы нажатия в пять раз (Fн = 5тс) коэффициент трения при той же скорости V=70 км/ч оказывается всего µ_р = 0.09. а сила трения Fтр = 0.450 тс., т. е. увеличивается, но всего в 3 раза.

График № 3

График № 3. Зависимость действительного коэффициента трения колодок от величины действительного нажатия на колодку и скорости.

Задание.

Используя график № 3 определите силу трения при скорости 80км/час и 100км/час , при различной силе нажатия. Выполнить перевод единиц измерения силы трения в систему СИ. Результаты вычислений занесите в таблицу:

№ п/п

Колодки

Скорость

V (км/час)

Сила нажатия

Fн (тс)

Коэффициент трения µ_р

Сила трения

F_тр (тс)

F_тр (Н)

1.

Чугунные

80

2.

3.

100

4.

5.

Композицион-ные

80

6.

7.

100

8.

Творческое задание по теме «Движение железнодорожного состава».

Задание. Составьте логически законченный рассказ, дополняя предложения в тексте. Для выполнения задания замените пропуски физическими терминами.

Физические термины: сила трения, сила тяжести, сила реакции, сила давления, сила упругости, дуга окружности, по радиусу, к центру, сила сопротивления, инерция, законы Ньютона (первый, второй), ускорение центростремительное, окружность.

При движении железнодорожного состава по прямолинейному участку пути с постоянной скоростью на любой вагон действует сила , но она уравновешивается направленной вверх силой рельсов. Сила тяги локомотива уравновешивает силу _____ , которая возникает между колесной парой и рельсами. Но вот состав дошел до закругления пути. В этом месте он повернет и начнет двигаться по (рис1.).

рис.1 рис.2 рис.3

Какая же сила заставляет состав изменять направление его скорости и двигаться с ускорением? Этой силой является ___________, действующая на колеса вагона со стороны рельса. Колеса железнодорожных вагонов имеют реборду, соприкасающуюся с рельсами не сверху, а сбоку (рис.2). Пока вагон движется по прямолинейному участку пути, реборда особой роли не играет и деформируется лишь та часть колеса, которая прилегает к рельсу сверху. Пройдя точку А (рис.3), колесо, продолжая свое движение в прежнем направлении, действует на рельс ребордой и деформирует ее сбоку - рельс выгибается наружу. При этом возникает сила________, направленная перпендикулярно боковой поверхности рельса. Эта сила и заставляет вагон двигаться по______________. Если бы колеса вагона не имели реборд, такая сила не могла бы возникнуть, и вагон непременно сошел бы с рельсов. Ускорение вагона, движущегося по закруглению, направлено по радиусу к__________и называется _______________ . Сила, действующая на реборду со стороны деформированного рельса и вызывающая это ускорение, определяется по ___________закону Ньютона. Для уменьшения износа рельсов и реборд необходимо уменьшить силу___________ между ними, т.е. уменьшить силу________ рельса на реборду. Для этого полотно железной дороги на закруглениях делают слегка наклонным в сторону центра закругления (рис.4). В этом случае сила______ рельсов не уравновешивает силу _______ . Их равнодействующая направлена приблизительно к центру поворота. В этом случае центростремительное ускорение вагону сообщают две силы. После выключения двигателя (прекращения действия силы ) поезд некоторое время движется по ______, а затем останавливается. Согласно _______ закону Ньютона на состав действует сила, направленная в сторону, противоположную скорости движения. Эта сила ______, которая сложным образом «рассредоточена» по различным частям транспортного средства: это трение колес о рельсы, трение в осях, в передающем механизме. Силу, объединяющую все эти виды трения, называют силой сопротивления качению экипажей. Для упрощения расчетов, связанных с движением транспортных машин, на практике вводят величину, называемую коэффициентом сопротивления качению экипажа. Физический смысл такой же, как и коэффициента трения скольжения: она показывает, какую часть составляет сила ______от силы __________опоры. Для железнодорожных составов коэффициент сопротивления составляет 0,002 - 0,008.

Тест на соответствие.

Из предложенных терминов, используя их нумерацию, заполните таблицу:

Понятие

Свойство

Явление

Величина

Единица измерения

Прибор, устройство

1). Скорость, 2).механическое движение, 3).путь, 4).секунда, 5).сила, 6).масса, 7).время, 8).энергия, 9).траектория, 10).скоростемер, 11).инерция, 12).ватт, 13).ньютон, 14).метр, 15).динамометр, 16).инертность, 17).часы, 18).импульс, 19).спидометр, 20). перемещение, 21). джоуль, 22).мощность, 23).килограмм, 24).ускорение, 25).тело отсчета, 26).трение, 27).весы, 28). механическая работа, 29). система отсчета, 30).упругость.

Оценка задания: за каждый правильный ответ 0,5балла, итого 15баллов.

«5» - 14-15б, «4» - 11-13б, «3» - 8-10б

Литература:

1. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. Учебник для образовательных учреждений начального профессионального образования.- М.: Издательский центр «Академия», 2012.

2. Касьянов В.А. Физика. Учебник для 10-11 кл. общеобразовательных учреждений. - М.: Дрофа, 2002.

3. Трофимова Т.И. Физика для профессий и специальностей технического и естественно-научного профилей. Справочник. Учебное пособие для образовательных учреждений начального и профессионального образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2012.

Интернет ресурсы:

1.vunivere.ru›work18576

2. edu.dvgups.ru›METDOC/GDTRAN/NTS/TEPLOVOZ/AVTT_…

3. poezdvl.com›books/asadchenko/asadchenko_8.html

4. alltransportation.ru›tralls-494-1.html