Волшебная стелька

XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Волшебная стелька

Соловьев М.А. 1
1МАОУ «СОШ № 40» г. Чебоксары
Попова С.А. 1
1МАОУ «СОШ № 40» г.Чебоксары
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Однажды, гуляя зимой, я надолго задержался на улице. У меня замерзли ноги. На мне были шерстяные носки и ботинки, а на руках – только шерстяные варежки. Так почему мои руки не замерзли, а ноги – еще как? Дома я достаточно быстро согрелся, а вопрос в моей голове засел надолго: почему замерзание моих рук и ног происходит по-разному, а самое главное – что можно предпринять, чтобы предотвратить замерзание или хотя бы замедлить его? Это и стало темой моей исследовательской работы.

Актуальность данной работы заключается в том, что каждый человек зимой в той или иной мере сталкивается с проблемой сохранения тепла при нахождении на улице.

Итак, цель моей работы: изучить явление теплопроводности, важность его присутствия в жизнедеятельности человека, и изготовить «волшебную» стельку.

Исходя из цели, поставлены следующие задачи:

Собрать и проанализировать информацию о передаче и сохранении тепла.

Провести практические опыты, чтобы:

- выяснить природу явления теплопроводности;

- сравнить теплопроводность разных веществ;

- определить влияние агрегатного состояния вещества на передачу тепла.

3. Произвести наблюдения, чтобы:

- установить причину неравномерного замерзания разными частями тела человека;

- узнать, какими способами можно замедлить или предотвратить замерзание тела.

Объект исследования: вещества, проводящие тепло.

Предмет исследования: явление теплопередачи.

Методы исследования:

Поиск информации в литературе, в Интернете.

Собственные наблюдения и практические опыты.

Эксперименты по изготовлению стельки.

Для достижения цели мы выдвинули гипотезу: для изготовления стельки мы сможем использовать самое тепло сберегающее вещество – воздух.

1.Теплопроводность.

Все мы знаем, что, если холодные руки положить на теплую батарею отопления, то они согреются. Если чайник с водой поставить на огонь газовой плиты, вода в чайнике согреется, а потом закипит. Таким образом, в быту мы сталкиваемся с таким явлением, как передача тепла, от одного предмета к другому: батарея передает тепло рукам; горящий газ газовой плиты передал тепло чайнику, а чайник – воде, находящейся в нем(Приложение 1, фото 1,2).

Исследуя теоретический материал в учебной литературе, я узнал, что в физике такое явление называют теплопроводностью - это способность материальных тел проводить теплоту от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела. Данное явление было известно еще в древности. Но только в 18 веке ученым (одним из которых являлся Михаил Ломоносов) удалось сначала предположить, а затем на основании проведенных опытов доказать сущность передаваемой теплоты движением внутренних частей тел. (Приложение 1, фото 3)Молекулы в более нагретых частях тела движутся быстрее и передают энергию посредством столкновений медленным частицам в более холодных частях тела. Таким образом, передача тепла – есть ни что иное, как передача энергии. При этом, переноса вещества не происходит.

Различные вещества за один и тот же промежуток времени могут передать разное количество тепла, то есть энергии. (Приложение 1, фото 4,5). Теплопроводность зависит и от агрегатного состояния вещества. То есть у одного и того же вещества в его твердом, жидком или газообразном состоянии совершенно разный коэффициент теплопроводности. (Приложение 1, фото 6,7).

Самая высокая теплопроводность принадлежит твердым материалам, потом жидким и, наконец, газообразным. Это связано с тем, что атомы и молекулы в твердых телах находятся на очень близком расстоянии друг от друга в строгом порядке и взаимодействуют между собой гораздо быстрее, чем в жидкостях, молекулы которых менее связаны между собой и находятся в более хаотичном порядке. Вследствие этой хаотичности жидкие вещества очень легко меняют форму своего тела. Молекулы газообразных веществ находятся на огромном (по сравнению с твердыми и жидкими веществами) расстоянии друг от друга, поэтому их взаимодействие, приводящее к передаче тепла (энергии) наименьшее.

Самым теплопроводным веществом в мире является самое твердое – алмаз. Потом идут металлы: серебро и медь. А вот цинк и свинец передают тепло (энергию) в 10 раз хуже. Бетон имеет теплопроводность в 20 раз меньшую, чем самый низкотеплопроводимый металл, а кирпич – еще в 2 раза меньшую, чем бетон. Поэтому кирпичные дома по праву считаются более теплыми, чем монолитные и панельные.

Далее идут жидкости, в том числе вода. Древесина обладает теплопроводностью в 4 раза меньшей. Почему, ведь древесина - твердое вещество, а не жидкое? Дело в том, что между древесными волокнами находится воздух. А воздух, как и все газообразные вещества обладает самой низкой теплопроводностью (Приложение 1, фото 8). Поэтому деревенские избы лучше удерживают тепло, чем современные городские дома. Современные утеплители (минеральная вата, пенопласт), которыми покрывают стены и крышу коттеджей, тоже содержат воздух. Они имеют теплопроводность еще в 5 раз меньшую, чем древесина.

Однако самым простейшим веществом, обладающим самым высоким теплоизоляционным эффектом, является обыкновенный воздух. Его теплопроводность в 10 раз ниже самого суперсовременного теплоизоляционного материала. Окна в квартирах имеют двойное остекление, между которым находится простой воздух.

Наименьшей теплопроводностью обладает вакуум – это безвоздушное пространство, которое не является по сути ни веществом, ни каким-либо материалом. В вакууме нет ни атомов, ни молекул, поэтому передачу энергии (тепла) производить нечему, в результате чего теплопроводность вакуума имеет абсолютный нуль. Именно по этой причине вакуум используется в термосах для сохранения тепла (или наоборот – для поддержания низких температур, например, для перевозки донорской крови), и если бы не теплопроводимость других материалов, из которых состоит термос, тепло и мороз в термосных камерах можно было бы удерживать бесконечно долго.

Теплопроводность одного и того же вещества в его разных агрегатных состояниях можно оценить на примере воды. Лед (твердое агрегатное состояние воды) имеет теплопроводность в четыре раза большую, чем жидкая вода. А вот свежевыпавший снег, состоящий из снежинок, неплотно прилегающих друг к другу и имеющих некоторую прослойку из воздуха, наоборот – в четыре раза меньше, чем вода. Ну и самый рекордсмен – воздух (газообразное агрегатное состояние воды) имеет самую низкую теплопроводность, и как следствие – самое высокое энергосбережение в быту: разница с жидкой водой в 15 раз.

2.Практические опыты.

После изучения теоретического материала, я решил проверить его на практике. Для этого я провел несколько опытов (Приложение 2).

Опыт № 1. К металлическому стержню с помощью пластилина прикрепим палочки. Конец стержня поднесем к пламени свечи. С течением времени по мере нагревания стержня будет расплавляться пластилин и палочки станут падать. (Приложение 2.Опыт №1.)

Палочки падают поочередно, а не одновременно – одна за другой по мере нагревания данной части стержня.

Вывод: тепло передается от более нагретых частей к менее нагретым частям постепенно, а не сразу.

Сначала нагрелась ближняя к пламени свечи часть стержня и упала первая палочка, потом – вторая, третья и т.д.

Вывод: перенос тепла происходит строго последовательно, а не хаотично.

Металлический стержень сохранил свою форму.

Вывод: переноса вещества не происходит. Тепло (энергия) передается молекулами внутри данного вещества.

Опыт № 2. Возьмем металлическую спицу и поднесем ее к пламени свечи. Достаточно быстро она нагреется, и ее невозможно просто будет держать в руках. В то же время, если мы подожжем деревянную спичку, мы спокойно будем держать ее в руках, пока пламя не подойдет к держащей спичку руке.(Приложение 2. Опыт №2.)

Вывод: теплопроводность разных веществ, даже одного агрегатного состояния разная. В данном случае теплопроводность металлической спицы выше древесной спички.

Опыт № 3. Возьмем нитку, расправим ее и поднесем к пламени свечи. Нитка сразу перегорает. (Приложение 2. Опыт №3.) Если ее намотать на металлический стержень и снова поднести к пламени, то она останется целой, просто немного закоптится. (Приложение 2. Опыт №3.)

То же самое происходит с бумагой. Бумага в пламени свечи моментально вспыхивает. (Приложение 2. Опыт №3.) Если намотать бумагу на металлический стержень и опять поднести к пламени свечи, то бумага останется целой, только закоптится. (Приложение 2. Опыт №3.)

Вывод: металл хорошо проводит тепло, он поглощает тепло, выделяемое свечой. Таким образом, нитка и бумага не нагреваются до температуры, при которой они должны вспыхнуть.

Опыт № 4. Проделаем предыдущий опыт с ниткой и бумагой, но вместо металлического стержня будем использовать поочередно деревянную палочку, пластиковую ручку, стеклянную бутылку. Нитка и бумага вспыхнут и начнут гореть. (Приложение 2. Опыт №4.)

Вывод: теплопроводность разных веществ, даже одного агрегатного состояния разная. В данном случае теплопроводность дерева, пластика и стекла значительно ниже металла. Эти вещества плохо проводят и отводят тепло. Нитка и бумага успевают нагреться до температуры, при которой они вспыхивают и начинают гореть.

Опыт № 5. Надуем воздушный шарик воздухом и поднесем к пламени свечи. Он моментально лопнул. (Приложение 2. Опыт №5.)Если в шарик такого же объема налить воды и тоже поднести к пламени свечи, то такой шарик не лопнет. Вода будет отводить от нагреваемого шарика тепло. Пока она не испарится, шарик не лопнет. (Приложение 2.)

Вывод: теплопроводность одного и того же вещества в его разном агрегатном состоянии разная. В данном случае теплопроводность воды выше, чем воздуха.

Все проведенные опыты подтвердили теоретические основы теплопроводности.

3.Тепло- и энергосбережение.

Тепло- и энергосбережение является противоположной стороной теплопроводности. Вещества, обладающие низкой теплопроводностью, являются самыми тепло – и энергосберегающими. Самым тепло- и энергосберегающим веществом является воздух.

Животные, которые впадают в спячку, роют норы, которые зимой засыпает снегом. Теплом своего тела они как бы отапливают свою нору, а воздух в норе и снег сверху удерживает тепло и не дают проникать морозу. Другие животные, например, зайцы, волки, лисицы, имеют на своем теле достаточно большую прослойку шерсти. Она состоит из множества волосков; между ними находится воздух, который играет роль утеплителя для этих животных. Птицы не имеют шерсти, однако в ее роли выступает пух, который находится под перьями и прекрасно удерживает воздух, а заодно и утепляет тело.

Человек научился выделывать шкуры животных, чтобы шить из них шубы, шапки и обувь. Научился вязать варежки на руки и носки на ноги с использованием шерсти. Все они имеют очень низкую теплопроводность и высокое тепло- и энергосбережение.

Чтобы проверить на практике теоретические основы обратной стороны теплопроводности (тепло- и энергосбережения), очень тяжело было проводить опыты на морозе, поэтому я воспользовался еще одним методом – наблюдение. (Приложение № 3).

На основании проведенных мною наблюдений, я могу с полной уверенностью ответить на вопрос, который был поставлен в самом начале моей исследовательской работы: почему замерзание моих рук и ног происходит по-разному, а самое главное – что можно предпринять, чтобы предотвратить замерзание или хотя бы замедлить его? -

- по возможности не стоять на снегу двумя ногами. Если зимой ходить или, стоя на одном месте, поочередно поднимать правую и левую ноги, то ноги будут находиться на снегу время в два раза меньшее, значит, меньше будешь мерзнуть;

- если зимой на улице все время ходить, а лучше бегать, прыгать и кувыркаться, то будут тратиться калории, которые высвобождают энергию, то есть тепло, а, значит, меньше будешь мерзнуть;

- не надо покупать стесненную обувь на зиму. Если вы идете именно гулять, обувь должна быть такой, чтобы вы могли надеть шерстяные носки. Носки должны быть толстые, новые и чистые. По сравнению с тонкими, истертыми и грязными они будут собирать в себя больше воздуха, и вы дольше останетесь в тепле;

- если во время своего вынужденного пребывания на улице встать ногами на предмет с более низкой теплопроводностью, чем спрессованный снег (например, на деревянную доску, картонный лист, пенопласт, полиэтиленовую пленку), то будешь меньше мерзнуть;

- кроме холода, необходимо бороться с влагой, проникающей внутрь обуви. Для этого необходимо обрабатывать наружную часть обуви водоотталкивающим кремом;

- ну, и самое главное, ради чего я написал эту работу: между холодной поверхностью (спрессованный снег, лед, рыхлый снег с влагой) и ногами должен быть материал с самой низкой теплопроводностью, а значит, с прослойкой из воздуха, чтобы теплосбережение было максимальным.

4.Изобретение и изготовление стельки для обуви.

В процессе моей исследовательской работы я захотел придумать приспособление, которое могло бы максимально предотвратить замерзание ног людей в зимнюю пору. Конечно, его можно было соорудить на основе воздушно-пузырьковой пленки, которая по моим наблюдениям была самым теплоизоляционным материалом. Понятно, что пленку нельзя прикрепить к подошве. Усовершенствовать саму подошву для обуви я тоже пока не могу. К примеру, сделать пористую резиновую подошву. Пористость – это доля пор в общем объеме пористого тела. Это еще одно новое слово, которое я узнал в процессе создания моей работы. Однако максимально пористое изделие, даже при том, что я сделал большое количество отверстий в подошве, мне в моих домашних условиях добиться никак не получалось.

Поэтому я решил остановиться на стельках. Они являются последним слоем между холодной поверхностью на улице и ногами. Стельки для обуви должны иметь больше воздуха, чем обычные тканевые, войлочные или любые другие. Поэтому стельки из воздушно-пузырьковой пленки как раз подойдут. Я решил их сделать. (Приложение 4)Вырезал по размеру своей обуви. И пошел на улицу проверять. Однако, ноги, что называется «не дышали», поскольку плотно соприкасались с полиэтиленовой поверхностью, которая не пропускает воздух. В такой обуви ноги потеют, в ней нельзя долго находиться на улице, как в резиновых сапогах. Тогда я решил усовершенствовать свое изобретение. Я взял хлопковую ткань, вырезал по размеру стельки и подложил между ней и ногами. Эффект превзошел все мои ожидания. На улице мне было тепло и комфортно. Я проверял в интернете: таких стелек для обуви еще не придумали и не создавали. Я решил запатентовать свое изобретение. А когда я вырасту, приобрету необходимые знания и опыт, я усовершенствую свое изобретение, сделаю пленку более прочную, которая не будет рваться и будет удерживать любой вес человека.

Заключение.

Явление теплопроводности присуще всем веществам, независимо от того, в каком агрегатном состоянии они находятся. У различных веществ различная теплопроводность. Большой теплопроводностью обладают твердые тела, меньшей – жидкости, плохой - газы. Теплопроводность различных веществ мы можем использовать в быту, технике и природе.

Ответ на вопрос, заданный в начале работы: почему руки и ноги замерзают по-разному, а самое главное – что можно предпринять, чтобы предотвратить замерзание или хотя бы замедлить его?

- разность замерзания моих конечностей зависит от разной теплопроводности (а значит от разного тепло – и энергосбережения) одного и того же вещества, с которыми они соприкасаются, а именно: руки соприкасаются с воздухом, а ноги – со снегом (льдом, водой на асфальте).

- замедлить замерзание можно разными способами: не стоять на месте, ходить, бегать, прыгать, использовать подручные (а если буквально – подножные) материалы, максимально утеплять ноги в нестесненной обуви.

- предотвратить замерзание – можно только с использованием материалов с самой низкой теплопроводностью. Между ногами и поверхностью, на которую они опираются, находятся только резиновая подошва обуви и обувные стельки. Либо то, либо другое должны иметь в своем составе максимум воздуха или вакуума. Я в силу своего возраста и знаний могу предложить изобретенные мной стельки из воздушно-пузырьковой пленки.

Наша гипотеза подтвердилась: для создания своей стельки мы смогли использовать самое тепло сберегающее вещество – воздух.

Библиографический список

1. Блудов М. И. Беседы по физике часть 1 -М: Просвещение 1984г.

2. Белько Е. «Веселые научные опыты для детей».-2018

3.Дружинин Б.Л. Развивающие задачи по физике для школьников 5-9 классов.- 2013

4. Перышкин А. В. Физика 8 класс - М: Дрофа, 2012г.

Приложение 1

Фото 1. Теплопроводность в быту Фото 2. Теплопроводность в быту

Фото 3. Теплопередача по мнению Фото 4. Таблица теплопроводности.

М.В. Ломоносова

Фото 5. Теплопроводность веществ Фото 6. Теплопроводность веществ.

Фото 7.Теплопроводность разных

агрегатных состояний. Фото 8. Теплопроводность воздуха.

Приложение 2.

Практические опыты.

Опыт № 1.Тепло передается от более нагретых частей к менее нагретым частям постепенно, а не сразу.

Опыт № 2.Теплопроводность разных веществ, даже одного агрегатного состояния разная.

Опыт №3.И нитка, и бумага моментально вспыхивают при подведении к пламени свечи.

Металл хорошо проводит тепло, он поглощает тепло, выделяемое свечой. Нитка и бумага не нагреваются до температуры, при которой они должны вспыхнуть.

Опыт № 4. Аналогичный опыт с пластиком, деревом и стеклом.

Фото 1. Опыт с пластиком.

Фото 2. Опыт с деревом.

Фото 3. Опыт со стеклом.

Теплопроводность разных веществ, даже одного агрегатного состояния разная. В данном случае теплопроводность дерева, пластика и стекла значительно ниже металла. Эти вещества плохо проводят и отводят тепло.

Опыт № 5. Шарик, надутый воздухом, моментально лопнет при поднесении к пламени свечи.

Если добавить воды в надутый шарик и поднести к пламени свечи, шарик лишь подкоптится и не лопнет.

Теплопроводность одного и того же вещества в его разном агрегатном состоянии разная. В данном случае теплопроводность воды выше, чем воздуха.

Приложение 3.

Наблюдения на улице.

Дата

Время

наблюдения

Температура

Наблюдение

06.12

11:00-11:30

-9 градус

Я ходил по улице в тонких носках. Моя обувь намокла. Ноги достаточно быстро замерзли. Руки не замерзли.

 

14:00-15:00

-10 градус

Я надел шерстяные носки и смазал обувь водоотталкивающим кремом. Мои ноги остались сухими и теплыми. Также как и руки.

12.12

12:00-12:20

-12 градусов

Я стоял на месте, на снегу. Руки не замерзли, а ноги замерзли.

13.12

13:00-13:20

-12 градусов

Я ходил по улице. На месте не стоял. Руки не замерзли, ноги не замерзли.

 

13:00-13:50

-12 градусов

Я ходил по улице. На месте не стоял. Руки не замерзли, ноги чуть-чуть стали замерзать.

 

15:00-16:30

-12 градусов

Я играл с друзьями на улице в футбол. Руки и ноги совсем не замерзли. Наоборот, я вспотел.

 

16:00-16:05

-13 градусов

Я приложил руки к бетонной стене своего дома. Руки очень быстро замерзли.

 

16:15-16:30

-13 градусов

Я взял воздушно-пузырьковую пленку и приложил между руками и бетонной стеной. Руки уже не мерзли.

19.12

11:00-11:05

-15 градусов

Я приложил руки к снегу. Руки очень быстро замерзли.

 

11:30-12:00

-15 градусов

Я взял воздушно-пузырьковую стельку и приложил между руками и снегом. Руки уже не мерзли

20.12.

10:00-10:05

-10

Я обхватил руками металлическую трубу спортивного турника. Руки очень быстро замерзли.

 

10:30-11:00

 

Я взял воздушно-пузырьковую стельку и приложил между руками и металлической трубой. Руки уже не мерзли.

 

11:30-11:50

 

Я взял из дома деревянную дощечку. Одной ногой я стоял на снегу, а второй – на дощечке. На снегу нога замерзла быстрее, на дощечке – только чуть-чуть.

 

12:30-13:00

 

Я взял из дома деревянную дощечку и воздушно-пузырьковую пленку. И встал на них разными ногами. Нога на дощечке немного замерзла, а на воздушной пленке – нет.

Вывод: Тепло- и энергосбережение (как обратная величина теплопроводности) у разных веществ разное. У бетона, железа снега она ниже, чем у дерева и воздуха. Тепло- и энергосбережение у одного и того вещества в его разном агрегатном состоянии различно: у спрессованного снега и льда оно ниже, чем у воздуха.

Приложение 4.

Изготовление стельки.

Просмотров работы: 21