XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Физические величины и законы в решении проблемы безопасности на дорогах
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение.
Каждый день мы, желая этого или не желая, становимся участниками дорожного движения. Люди, особенно дети, часто нарушают установленные правила, например, пробегают по пешеходному переходу перед движущимся транспортом, думая, что он сможет остановиться в ту же секунду, сильно заблуждаются. Смертность и травматизм в результате дорожно-транспортных происшествий сегодня являются серьезнейшей проблемой мирового здравоохранения. 21.03.2020. ГУОБДД МВД России представила сводку Аварийности на дорогах России.
|
ДТП |
236 |
|
Погибли |
27 |
|
Погибло детей |
0 |
|
Ранены |
296 |
|
Ранено детей |
27 |
Это только один день. (Приложение 1) А ведь многие люди, возможно, получили сильные травмы или стали инвалидами. Существует множество причин этих ДТП, как со стороны водителя, так и со стороны пешехода. Поэтому важны правила, которые должен знать каждый пешеход. Большинство правил неразрывно связаны с физическими величинами, законами физики: скорость, тормозной путь, зависимость силы трения от материалов трущихся поверхностей, закон сохранения энергии. От трения зависит тормозной путь автомобиля. И часто юные водители, пешеходы не «рассчитывают» путь, который автомобиль проходит до полной остановки при торможении.
Мы решили изучить законы движения при торможении автомобиля и практически исследовать зависимость тормозного пути от различных факторов, описать, что должен знать пешеход. Работа носит прикладной характер. Результаты работы и ознакомление с ней учащихся помогут внести вклад в дело уменьшения количество ДТП с участием детей.
Проблема: Незнание школьниками физических факторов, влияющих на тормозной путь транспорта, ведёт к ошибкам на дороге, что приводит к увеличению детского ДТП и травматизму.
Гипотеза: Остановочный, тормозной путь автомобиля зависит от скорости автомобиля, состояния дорожного покрытия, от скорости реакции водителя, от массы автомобиля.
Цель работы: Исследовать физические величины и законы, описывающие движение транспорта, необходимые пешеходу для безопасности на дороге.
Предмет: Безопасность на дороге.
Объект исследования: Тормозной, остановочный путь, как физический фактор безопасного поведения на дрогах.
Задачи:
1. Систематизация точек зрения, представляющих различные позиции, по вопросу основы природы силы трения.
2.Исследование зависимости тормозного пути от начальной скорости, коэффициента трения и массы.
3.Исследование значения понятия «остановочный путь» и его зависимости от времени реакции водителя.
4.Систематизирование материала о зависимости длины безопасной зоны от различных факторов.
2. Основная часть
2.1 Глава1. Трение
2.1.1 История изучения силы трения
Инертность - это свойство тела сохранять свою скорость неизменной при отсутствии действий на него со стороны других тел. «Тело как бы запоминает ту скорость, которая ему сообщена.»Инерция – это физическое явление сохранения скорости тела постоянной, если на него не действуют другие тела или их действие скомпенсировано. Закон инерции утверждает: равномерное прямолинейное движение присуще всем телам. Автомобиль после выключения двигателя продолжает движение и мешает двигаться только трение. Сила трения – сила, препятствующая движению. Знания о природе силы трения - это результат большой исследовательской работы ученых – экспериментаторов на протяжении нескольких веков. Первые работы по открытию силы трения проводил Леонардо да Винчи. Леонардо (1519) утверждал, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна нагрузке, направлена против направления движения и не зависит от площади контакта. Через 180 лет Гийом Амонтон рассмотрел вопрос о силе трения, и окончательная формулировка появилась в работах Шарля Огюстена де Кулона (1781). Амонтон и Кулон ввели понятие коэффициента трения как отношения силы трения к нагрузке. Коэффициент трения - постоянная величина для любой пары контактирующих материалов. Ввели запись формулы силы трения Fтр =µN, где µ коэффициент трения, справочная величина, N - сила реакции опоры. Если тело находится на горизонтальной опоре, то N = P P – вес тела. Но в XIX веке стало ясно, что закон Амонтона – Кулона не дает точного описания силы трения, а коэффициенты трения зависят не только от того, какие материалы контактируют, но и насколько гладко обработаны контактирующие поверхности. Развивавшаяся техника XX века требовала все большего внимания к исследованию трения. В 30-е годы исследования в области трения выделены как специальная наука – трибология.
2.2 Глава 2. Тормозной путь и факторы, влияющие на него.
Сила трения отличается от других сил тем, что она всегда направлена в сторону, противоположную направлению вектора скорости движения тела. Ускорение, которое она сообщает телу, направлено против скорости. Это приводит к ее уменьшению, и, если на тело не действуют другие силы, оно останавливается. Представим себе, что перед движущимся автомобилем возникло препятствие, и водитель нажал на тормоз. За счет явление инерции автомобиль мгновенно остановиться не может. Он обязательно пройдет некоторый путь до остановки. Тормозной путь автомобиля – расстояние, проходимое автомобилем с момента действия тормозной системы в полную силу до остановки автомобиля.От чего зависит тормозной путь автомобиля? Движение транспорта описывают с помощью законов сохранения. Чем больше масса автомобиля, тем больше его кинетическая энергия. «Кинетическая энергия - это характеристика состояния движущегося тела, обладающая двумя признаками: она зависит от скорости, ее изменение равно работе равнодействующих каких угодно сил.» Формула кинетической энергии Ек=mv2/2. Мерой изменения энергии является работа. Работа силы - физическая величина равная произведению модуля силы на модуль перемещения A=F*S. В процессе торможения на автомобиль действуют сила тяжести, сила реакции опоры и сила трения. (Приложение 2) Сила тяжести и сила реакции опоры действуют перпендикулярно перемещению, поэтому их работа равна нулю. Это означает, что суммарная работа всех сил равна работе силы трения скольжения. Теорема о кинетической энергии: изменение E к =A силы трения. В случае торможения автомобиля, теорема запишется в виде: Aтр =Eк = -mv02/2. v0 - скорость автомобиля в момент торможения. Учитывая, что сила направлена противоположно перемещению S и что: Fтр=µN=µmq получаем: A=Aтр = -µmqS. Следовательно: -µmqS = -mv02/2. Отсюда: из формулы видим, что тормозной путь от массы автомобиля не зависит. Докажем опытами влияние разных факторов на тормозной путь. (Прил.3)
Опыт 1.Зависимость тормозного пути от начальной скорости тела. (Приложение4) Цель: Опытом проверить влияние начальной скорости на тормозной путь. Оборудование: машинка, 3 наклонные поверхности разного угла наклона, линейка.Ход работы: Спустить машинку с наклонной поверхности, отметить конечную точку остановки тележки и измерить расстояние от неё до нижнего конца наклонной поверхности, что мы будем считать тормозным путём. Данные занести в таблицу. Для вычисления начальной скорости воспользуемся законом сохранения энергии - потенциальная энергия в верхней точке наклонной поверхности равна кинетической энергии в нижней точке спуска машинки mqh=mv02/2
Вывод: Длина тормозного пути машинки зависит от величины начальной скорости. Чем больше начальная скорость, тем больше и тормозной путь машинки.Опыт 2. Влияние на тормозной путь разных поверхностей. (Приложение 5) Цель: Проверить влияние состояния поверхностей на тормозной путь. Оборудование: машинка, наклонная поверхность, линейка, стекло, картон, песок, динамометр. Ход работы: Спустить тележку с наклонной поверхности на поверхность сухого картона, стекла и песка, отметить конечную точку и измерить расстояние от неё до нижней точки наклонной поверхности, что мы будем считать тормозным путём. Измерить силу трения на каждой из поверхностей, измерить вес тележки динамометром. При равномерном движении сила трения равна силе упругости пружины динамометра. Fтр =µN, N= P Получим коэффициент трения. Данные занести в таблицу. Вывод: Тормозной путь наибольший у стекла, наименьший у поверхности покрытой песком. Чем больше коэффициент трения, тем меньше тормозной путь.
Опыт 3. Влияние массы тела на тормозной путь. (Приложение 6) Цель: Проверить влияние массы на величину тормозного пути. Оборудование: машинка, 2 груза массой 100 г, наклонная поверхность, линейка. Ход работы: Поочерёдно спустить тележку, сначала пустую, далее с 1 грузом, потом с 2 грузами, с наклонной поверхности, отметить конечную точку и измерить расстояние от неё до нижнего конца наклонной поверхности, что мы будем считать тормозным путём. Измерить вес машинок динамометром. Данные занести в таблицу.
Вывод: На величину тормозного пути масса не влияет, а незначительные изменения считаются погрешностью измерений.
2.3. Остановочный путь. (Приложение 7)
Остановочный путь – это наименьшее расстояние, которое пройдёт автомобиль до остановки с момента появления препятствия в поле зрения водителя. Он равен сумме путей, пройденных за время реакции водителя, и срабатывания тормозов, и тормозного пути. Это понятие имеет большое значение в технике работы автомобильного транспорта и для безопасности перехода автомобильных дорог пешеходами. Путь, проходимый за время срабатывания тормозов зависит от качества тормозов, его время принимают равным 0,2 секунды. Время реакции водителя колеблется в пределах от 0,5 до 1,2 сВремя реакции водителя - психологическое качество водителя принимать решение и реагировать на изменение дорожно-транспортной ситуации: осознать опасность, принять решение об остановке или замедлении скорости,перенести ногу с педали газа на педаль тормоза и нажать ее. На время реакции водителя влияют различные факторы: возраст человека, физическая нагрузка, отвлекающие воздействия.
Опыт 4. Влияние отвлекающие воздействия на время реакции человека. Цель: Опытом проверить влияние раздражителей на изменение реакции человека. (Приложение 8) Оборудование: Фонарик, брусок, линейка, секундомер. Ход работы: Проверить время реакции человека на резкое опускание бруска, используя секундомер, в первый раз без фонарика, во второй раз со слабым светом фонарика, в третий раз – с более ярким светом, а в четвёртый раз – с отвлечением на что-либо интересное. Испытания производить с подростком, усталым подростком, пожилым человеком. Вывод: Уровень яркости слепящего света и отвлечение влияют на время реакции человека.2.4 Глава 4. Безопасная зона.(Приложение 9) Минимальной безопасной зоной можно считать расстояние до автомобиля, которое при различных начальных скоростях, состояния дороги, времени реакции водителя и срабатывания тормозов, является безопасным для перехода пешеходом «зебры». То есть, безопасная зона будет чуть больше остановочного пути. Составим таблицу расчёта остановочного пути, используя результаты опытов, информацию других источников. Полученные результаты сопоставим с умением оценивать расстояние до объекта на глаз.Выводы: 1.Тормозной путь автомобиля зависит от начальной скорости движущегося тела. При увеличении скорости от 30 до 90 км/ч тормозной путь увеличивается на 57м.2.Тормозной путь зависит от состояния дороги. При уменьшении коэффициента трения от 0.6 до 0,175 при скорости 60 км/ч тормозной путь увеличивается более 50м.3.На величину остановочного пути влияет время реакции водителя, внешние раздражители уменьшают время реакции, проходимый путь увеличивается от 0,5до 2.5метров.4.Остановочный путь зависит и от времени срабатывания тормозов. 5.Анализируя значения таблицы «Определение дистанции до объекта на «глаз» видим, все испытуемые при оценке расстояний до предмета ошибаются. (Приложение 10),
3.Заключение. Анализируя результаты практических исследований, убедились, что гипотеза о зависимости длины тормозного пути от скорости движения и трения подтвердилась. Чем больше скорость транспорта, и меньше коэффициент трения шин о дорогу тем больше тормозной путь. Наиболее безопасным покрытием для движения транспорта является сухой асфальт. Наименее безопасным является лед. Гипотеза зависимости тормозного пути ом массы не нашла подтверждение. Исследование остановочного пути от времени реакции водителя является значимым фактором. Анкетирование учащихся показало, что ученики 7 класса не готовы осознанно анализировать ситуации на дороге. При определении безопасной дистанции только 63% учитывают скорость автомобиля, 17% учитывают качество тормозной системы, а 20% обращают внимание на массу. Основным моментом при переходе через дорогу у 51% учеников является осмотр слева и справа. Обращают внимание на качество дороги 7%. Оценивают расстояние до транспорта 22%, но умение оценивать расстояние до приближающегося транспорта является также проблемой. (Приложение 6) О реакции водителя только 8% детей задумываются. (Приложение8) Данная работа показывает, что должен знать из физики каждый участник дорожного движения: понятие тормозного, остановочного пути и зависимость его от различных физических величин. Знание механических законов движения автомобиля, позволяет предупредить аварийные ситуации на дорогах. У этой работы есть возможность расширения рассматриваемых проблем, связанных с безопасностью пешехода на дороге. Мы рассмотрели круг вопросов, связанных с механическими явлениями, интересными могут быть и вопросы оптического характера.
4.Список литературы:
1. Мощанский А.Н. Физика- 9. -М.: «Просвещение».1994
2. Перышкин А.В. Физика – 7. – М.: «Дрофа».2012
3. Перышкин А.В. Физика – 9. – М.: «Дрофа».2015
4.Сокольская Л.Н. Физика и дорожная безопасность//Физика в школе. №4.2011
5. https://phscs.ru/node/945 - справочные данные о коэффициентах трения.
6. https://гибдд.рф/mens/pravo-peshehoda- Аварийность на дорогах России.
7. https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон Амонтона — Кулона
8. https://enki.ua/news/leonardo-da-vinchi-izuchal-silu-treniya-i-deystvie-smazok-na-https://ru.wikipedia.org/wiki/Трение
9.https://enki.ua/news/leonardo-da-vinchi-izuchal-silu-treniya-i-deystvie-smazok-na-mehanizmy-6169mehanizmy-6169 История открытия силы трения
10.https://yandex.ru/images/search?text=рисунки%20изображение%20сил%20на%20тело%20физика&stype=image&lr=56&source=wiz рисунки сил
5.Приложения.
АВАРИЙНОСТЬ НА ДОРОГАХ РОССИИ «ГУОБДД МВД России» Официальный сайт Госавтоинспекции. Приложение 1.
|
Российская Федерация |
Челябинская область |
Челябинская область |
Челябинская область |
||||
|
Дети до 16 лет |
Дети до 16 лет |
Дети до 18 лет |
Дети до 18 лет |
||||
|
21.03. |
январь |
февраль |
январь |
февраль |
январь |
февраль |
|
|
ДТП |
236 |
97 |
76 |
40 |
20 |
49 |
26 |
|
Погибли |
27 |
6 |
1 |
||||
|
Погибло детей |
0 |
2 |
1 |
4 |
1 |
||
|
Ранены |
286 |
95 |
74 |
||||
|
Ранено детей |
27 |
44 |
23 |
54 |
29 |
||
Приложение 2
Приложение 3
|
Зависимость от начальной скорости |
Зависимость от состояния поверхности |
Зависимость от от массы тела |
|
|
1. |
|||
|
2. |
|||
|
3. |
Зависимость тормозного пути от начальной скорости тела.
Приложение 4
|
Начальная скорость |
Угол наклона |
Высота наклонной поверхности, h, м |
Начальная скорость, V0, м/с |
Тормозной путь, Sт , м |
|
V01 |
11° |
0,125 |
1,56 |
0,465 |
|
V02 |
15° |
0,155 |
1.74 |
0,645 |
|
V03 |
18° |
0,17 |
1,82 |
0,765 |
Влияние на тормозной путь разных поверхностей. Приложение 5
|
Поверхность |
Тормозной путь, Sт , м |
Сила трения, Fтр , Н |
Вес тележки, P, Н |
Коэффициент трения, µ=Fтр/Р |
|
Песок |
0,35 |
0,3 |
1,9 |
0,15 |
|
Сухой картон |
0,495 |
0,2 |
1,9 |
0,1 |
|
Стекло |
0,515 |
0,15 |
1,9 |
0,07 |
Влияние массы тела на тормозной путь. Приложение 6
|
Тело |
Тормозной путь, Sт , м |
Вес машинки, с грузом P, H |
Масса тела, m=P/g, кг |
|
машинка |
0,465 |
1,9 |
0,193 |
|
машинка + 100 г |
0,49 |
2,88 |
0,293 |
|
машинка + 200 г |
0,46 |
3,86 |
0,393 |
Остановочный путь. Приложение 7Влияние отвлекающего воздействия на время реакции человека. Приложение 8
|
Раздражитель человека |
Время реакции испытуемого, t, сек. |
||
|
Подросток |
Усталый подросток |
Пожилой человек |
|
|
Без посторонних вмешательств. |
0,19 |
0,21 |
0,20 |
|
Умеренная яркость фонарика |
0,24 |
0,27 |
0,33 |
|
Высокая яркость фонарика |
0,29 |
0,31 |
0,33 |
|
Отвлечение |
0,34 |
0,38 |
Не был пойман |
Безопасная зона. Приложение 9
|
Состояние асфальта |
Коэффициент трения, µ |
Начальная скорость, V0, км/ч |
Начальная скорость, V0, м/с |
Тормозной путь, , м |
Остановочный путь с бодрым водителем, , м |
Остановочный путь с усталым водителем, , м |
|
Сухой |
0,6 |
30 |
8,3 |
5,85 |
10 |
10,83 |
|
60 |
16,6 |
23,4 |
31,7 |
33,36 |
||
|
90 |
24,9 |
52,66 |
65,11 |
67,6 |
||
|
Мокрый |
0,4 |
30 |
8,3 |
8,77 |
12,92 |
13,75 |
|
60 |
16,6 |
35,11 |
43,41 |
45,07 |
||
|
90 |
24,9 |
79 |
91,45 |
93,94 |
||
|
Обледенелый |
0,175 |
30 |
8,3 |
20,06 |
24,21 |
25,04 |
|
60 |
16,6 |
80,25 |
88,55 |
90,21 |
||
|
90 |
24,9 |
180,57 |
193,02 |
195,51 |
где Sр – путь, проходимый за время реакции человека, Sт – путь, проходимый за время срабатывания тормозов)
Определение дистанции до объекта на «глаз». Приложение 10
|
Расстояние, м |
Расстояние, м |
Расстояние, м |
Расстояние, м |
|
|
Взрослый утверждает о развитости глазомера |
Взрослый утверждает, что не умеет определять расстояние на « глаз» |
подросток |
действительное |
|
|
1 объект |
10 |
7 |
6 |
14.63 |
|
2 объект |
50 |
45 |
39 |
42.35 |
Получение данных о мнениях учащихся 7 класса по вопросам безопасности пешехода. Приложение 11.