XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Генератор и теннисный мяч
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение.
В связи с климатическими особенностями нашей местности часто погода бывает ветреная. Согласно данным с сайта Energywind среднегодовая скорость ветра в г. Полярный одна из самых высоких (см. Приложение 1). До 1980 года наш городок Снежногорск носил название само за себя говорящее «Вьюжный». Интересно попробовать, как справятся приборы для измерения скорости ветра, сделанные при помощи генератора, выполняющего роль электродвигателя и транспортира с теннисным мячиком. Градуировку первой модели произвели при помощи записи звука в программе Audacity. При расчете теоретической части второй модели ссылались на статью «Оптимизация траектории теннисного мячика». Прибор для измерения скорости ветра называется анемометр. Проверку анемометра, собранного на основе электродвигателя произвели, подтверждая закон Бернулли. Данная работа относится к реферативно-экспериментальной, в основе которой лежит эксперимент, практическая часть нацелена на интерпретацию самостоятельно полученного результата, связанного с изменением условий эксперимента.
2. Основная часть.
2.1. Сборка модели на основе электродвигателя, выполняющего роль генератора .
Сконструировали мы анемометр на основе электродвигателя, который выступал в роли генератора. Многолопастная крыльчатка взята готовая, это вентилятор от автомобильной печки, которую прикрепили на ось вала. Поток воздуха создавали воздуходувкой. Щупы электродвигателя соединили с миллиамперметром для переменного тока. Когда мы подсоединили авометр, то анемометр стал чувствительнее. Вместо авометра можно использовать любой другой прибор, для измерения силы тока, например, мы пробовали пользоваться мультиметром DT92, который у нас есть.
2.2. Калибровка модели.
Самый идеальный способ калибровки-это по промышленному анемометру, но его у нас нет. Аэродинамической трубы для выполнения практических работ по аэродинамике тоже нет. Можно попробовать открыть микроамперметр и нарисовать шкалу. Но в этом нет необходимости. Измерять скорость потока можно в условных единицах, т.е. мы сможем только сравнивать значения, например, скорость стала больше в 2 раза: 20 мА-1 условная единица, 40 мА-2, и т.д. А что если попробовать всё-таки проградуировать? Для численной калибровки мы приклеили к одной из лопастей кусочек чёрной изоленты. Запустили на компьютере запись звука в программе Audacity и поставили микрофон так, чтобы изолента во время вращения крыльчатки, проходя мимо камеры, задевала её и ударяла по ней. Одновременно мы подключили авометр. На звуковой дорожке при каждом ударе был заметен всплеск амплитуды звукового сигнала.
Остановив запись (см. Приложение 2), мы определили время 10,5 ударов (при дальнейшем перемещении курсора, время окончания сразу же увеличивалось на 1 с). Чтобы определить скорость ветра воспользуемся формулой: V=S/T, гдеT-время одного оборота, а S-длина окружности, которую описывает точка лопасти, находящаяся посередине. S=2πR=2⋅3, 14⋅4, 5=28, 26 см. Время одного оборота T=3/10,5=0, 286 с. Откуда получаем, что V=28, 26/0, 286=98, 8 см/с= 0,988 м/с=3, 56 км/ч. При данной скорости воздушного потока стрелка прибора отклонилась на 32 деления (была использована одна из шкал авометра). Значит 16 делений-1,78 км/ч. Таким образом, сделан прибор с ценой деления 0, 11 км/ч.
Проверка анемометра.
Проверим, будут ли показания прибора для измерения силы тока реагировать на скорость потока. Физическая справка. Объединив условие неразрывности жидкости и закон сохранения энергии, Бернулли вывел уравнение, согласно которому с увеличение скорости потока уменьшается давление, и наоборот. Из уравнения неразрывности следует, что v1/ v2 = S2/ S1.То есть, скорости жидкостей обратно пропорциональны площадям сечений. И чем больше площадь сечения, тем меньше скорость жидкости, протекающей через него, и наоборот [4]. Обмотав шланг воздуходувки проволокой, мы меняли площадь сечения воздуха, каждый раз измеряя её. Чтобы измерить площадь мы выбрали единицу измерения –площадь одной клеточки и подсчитали сколько раз она содержится в поперечнике шланга, обведённого на листе бумаги в клеточку (см. Приложение 3). В первом случае площадь получилась примерно 29 клеточек, что составляет 7,25 см2, в во втором-4 см2. Лучше всего реагировал на изменение скорости, в зависимости от вращения вертушки авометр. При большей площади сечения показания были на делении 1,8, а при меньшей 3,2. Клеммы прибора подключали к 0,5 мА. 7,25/4=1, 8; 3,2/1,8=1,(7). Результаты доказывают, то с учетом погрешности для количественной зависимости скорости воздушного потока от показаний прибора в условных единицах пользоваться можно.
2.4. Сборка «механической» модели.
Для измерения небольших скоростей ветра попробуем смастерить анемометр, используя транспортир и теннисный мячик. При движении шарика на него действуют силы: упругости, тяжести, лобового сопротивления и подъёмная сила. Ссылаясь на статью «Оптимизация траектории теннисного мячика» подъёмной силой можно пренебречь, а силу лобового сопротивления можно найти по формуле R=1/2 ρCDSv2, где ρ-плотность воздуха, S-площадь наибольшего сечения шара, CD=0,45 (что соответствует скоростям от 0.4 м/c до 100 м/с), v – скорость мячика, которую мы примем за скорость ветра[2]. Задаваемые параметры задачи: плотность воздуха ρ=1,29 кг/м3 (при нормальных условиях), π=3,14, масса и диаметр мячика m=2,04 г d=0,038м. Площадь сечения шарика найдём по формуле S= π d2/4. S=3,14⋅0,0382/4= 0,001134 м2.
Выведя формулу для расчета скорости потока воздуха (см. Приложение 4), произвели расчеты и заполнили таблицу.
|
Угол, 0С |
Тангенс |
Рассчитанная скорость ветра, |
|
|
м/с |
км/ч |
||
|
10 |
0, 1763 |
3,27 |
11,7 |
|
20 |
0,364 |
4,50 |
16,2 |
|
30 |
0,5774 |
5,92 |
20,72 |
|
40 |
0,8391 |
7,13 |
25,67 |
|
50 |
1,1918 |
8,50 |
30,5 |
|
60 |
1,7321 |
10,25 |
36,9 |
|
70 |
2,7475 |
12,91 |
46,48 |
|
80 |
5,6713 |
18,55 |
66,78 |
Осталось нанести соответствующим
углам их скоростные эквиваленты.
Заключение.
Были собраны две конструкции для измерения скорости воздушного потока. Обе модели можно проградуировать: авометр на основе электродвигателя – при помощи записи звука в программе Audacity, а «механический» - по углу отклонения нити от вертикали. Для проведения лабораторных опытов данными анемометрами пользоваться можно. Например, очень наглядно при помощи анемометра, созданного на основе генератора, продемонстрировали закон Бернулли: если уменьшали сечение шланга воздуходувки, то моментально скорость потока возрастала.
Однако для определения скорости ветра на улице лучше подходит анемометр из транспортира, и пользоваться им нужно «вручную».
У модели из двигателя постоянного тока выявлены недостатки:
Если ветер будет слабый, то из-за трения он не сможет повернуть вал двигателя.
Трудно сбалансировать вал двигателя.
Ветры имеют не постоянное направление, а для работы собранной модели вертушка должна располагаться строго перпендикулярно потоку.
Генератор и теннисный мяч могут пригодиться для общей цели: нахождения скорости воздушного потока.
Список используемых источников и литературы:
Генденштейн Л.Э. Физика : учебник 9 класс/ Л.Э.Генденштейн, А.А,Булатова, И.Н.Корнильев, А.В Кошкина. – Москва : Издательство БИНОМ. Лаборатория знаний, 2020. - 52 с.
Рудаков Р.П. Оптимизация траектории теннисного шарика. / Р.П.Рудаков, А.В. Каменских, П.В.Шульгин. Russian Journal of Biomechanics, Vol. 4, № 2: Пермь, 2000 [Электронный ресурc].-режим доступа:сhttp://vestnik.pstu.ru/get/
Анемометр. Характеристика. Виды.-Текст: электронный // Анемометры, барометры, гигрометры, психрометры и другие гидрометприборы: [сайт]. http://www.анероид.рф/info/articles/anemometr.htm. (дата обращения: 08.04.2021)
Закон Бернулли в аэродинамике .-Текст: электронный// Школьная энциклопедия: [сайт]. http://ency.info/materiya-i-dvigenie/chelovek-i-nebo/312-zakon-bernulli-v-aviazii. (дата обращения: 23.04.2021)
Приложения
Приложение №1
Приложение №2
Приложение 3.
Приложение 4.