XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование теплозащитных свойств материалов для верхней одежды

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Воронина Е.А. 1

---

1МАОУ "Гимназия № 6" г. Перми

Короткова Анжелика Юрьевна 1

---

1МАОУ "Гимназия № 6" г. Перми

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Первые упоминания о применении одежды для сохранения тепла появились более 170 тыс. лет назад.

В Африке, которая является естественной средой обитания человека, одежда появилась намного позже, чем в Евразии, где она была необходима для защиты тела от холода.

Так, наиболее древние находки инструментов и (следов) одежды обнаружены на стоянках неандертальцев. История одежды с древнейших времён до наших дней является зеркалом, в котором отражается вся история человечества. Каждая страна, каждый народ в отдельные периоды своего развития налагают свой отпечаток, свои специфические черты на одежду людей. В наше время ношение одежды для защиты от холода остается актуальным.
          Среднегодовая температура воздуха на территории Пермского края изменяется от «0° С» на севере до «+2° С» на юге территории, но на северо-востоке (в горной части края) среднегодовые температуры воздуха отрицательные. В Перми среднегодовая температура воздуха за период осреднения 1961–1990 гг. составляет «+1,5° С».

Абсолютный минимум температуры составляет в разных районах Пермского края от «–47° С» до «–54° С», в Перми «–47° С» (отмечался в ночь на 31 декабря 1978 года). Сильные морозы (–40°и ниже) в последнее время отмечаются в Пермском крае 1 раз в 3–4 года.

Переход температуры воздуха через «0° С», определяющий начало активного снеготаяния, происходит обычно в первой декаде апреля. Для весеннего сезона характерна неустойчивая погода с резкими колебаниями температуры воздуха (в начале апреля еще возможны морозы до «–20° С», а в третьей декаде месяца воздух уже может прогреваться до «+25° С»).

С детства нас учат родители о том, что в холодное время года нужно одеваться тепло. Но, несмотря на повсеместное широкое распространение теплой одежды, доступность различных материалов и их комбинаций, ежегодно мы сталкиваемся с сезонными пиками заболеваемости простудой и ОРВИ, вызываемой в том числе и переохлаждениями.

Мы озадачились вопросом – как можно сохранить тепло и не заболеть в холодное время года? Поэтому ЦЕЛЬЮ данной работы было выбрано исследование теплозащитных свойств различных материалов для верхней одежды, а также проверка и формулирование практических рекомендации к формированию и ношению одежды в период низких температур.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие ЗАДАЧИ:

Проанализировать механизм работы теплой одежды

Протестировать теплозащитные свойства различных материалов

Проверить эффективность принципа многослойности в одежде

Проверить эффективность теплозащиты мокрой одежды

В качестве ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ мы выбрали несколько видов тканей – натуральная, искусственная шерсть, хлопчатобумажная ткань, фланель (на основе хлопчатобумажных нитей), полиэфирное волокно (называемое в «народе» синтетикой), а также их комбинации.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Человек является теплокровным существом. Это означает, что он вырабатывает тепло внутри своего тела, и имеет терморегуляторную систему, которая поддерживает постоянную температуру тела, в значительной степени независимую от условий окружающей среды. В виду того, что мы не обладаем возможностью отслеживания тепловых потерь тела человека при следующих условиях:

а) длительное время пребывания в условиях отрицательной температуры окружающего воздуха;

б) пребывание в одинаковых условиях окружающей среды (при отрицательной температуре окружающей среды) нескольких испытуемых одновременно с использованием одежды из разных видов тканей.

Описание модели

При условии невозможности проведения экспериментов по охлаждению человеческого тела при отрицательных температурах с использованием разных видов тканей, нами было принято решение исследовать модель.

В качестве модели человека мы использовали надувные шарики, наполненные водой. Шары были наполнены одинаковым количеством воды (примерно 350 граммов). При взвешивании разница по весу между образцами не превышала 10 грамм, погрешность не более 2%. Для максимальной достоверности экспериментов, начальная температура шариков равнялась «36,6˚С», что соответствует постоянной температуре тела здорового человека. Используемые шарики погружались в емкость с теплой водой для нагревания до нужной температуры (одновременно).

Измерение температуры поверхности шариков произведено бесконтактным термометром Berrcom (model JXB-178). У данного прибора есть три режима измерения температуры:

Режим измерения температуры тела, называемый «body». Диапазон измерений для данного режима «32,0 – 43,0°С».

Режим измерения температуры воздуха в помещении «0 – 40°С».

Режим измерения температуры поверхности «0 – 60°C».

Согласно инструкции к измерительному прибору, возможна погрешность измерений, но не более «± 0,3°C».

Имитация условий отрицательных температур окружающей среды была осуществлена с помощью морозильной камеры. Температура внутри составляла « - 18˚С».

Виды тканей

Для проведения экспериментов нам потребовалось изучить виды тканей, используемых для производства верхней одежды.

Хлопчатобумажная ткань. В народе называемая «х/б». Самая популярная натуральная ткань производится из растительного сырья – хлопчатника. История одного из древнейших материалов для одежды и домашнего текстиля насчитывает 7 тысяч лет. Первой страной, где научились выращивать и перерабатывать хлопчатник была Индия. Сегодня его производят в 80 странах мира. Технологии продолжают развиваться, качество и разнообразие продукции растёт, но неизменными остаются её натуральность и экологичность. Данный вид ткани натурален, имеет «дышащие» свойства, то есть в зависимости от способов переплетения нитей и плотности тканей «х/б» сохраняет тепло либо способствует охлаждению тела (например, в жаркий сезон). Также хлопок обладает гигроскопичностью, то есть способен впитывать влагу до 20% собственной массы.

Фланель. Обладающая нежным ворсом и рыхлой фактурой ткань до конца 19 века производилась из овечьей шерсти. 20 век открыл её хлопковую страницу. С развитием современных технологий и материалов фланель стали изготавливать также из искусственных, синтетических и смесовых волокон. Это быстро согревающая и удерживающая тепло ткань, особенно необходимая в холодное время года.¹

Натуральная шерсть. Натуральная шерсть – это волосяной покров животных, собранный для обработки и эксплуатации. В основном шерстяная ткань производится из овец. Также используют растительность верблюдов, коз, лам, кроликов.² Для получения пуха животных вычёсывают, для получения шерсти стригут. После сбора её очищают и сортируют. Из неё делают пряжу, которую преобразуют в натуральные ткани или с добавлением синтетики. Применяется для изготовления валяных и войлочных изделий.

Акрил. Название «акрил» (Acrylic) переводится, как синтетическая акриловая смола. Несмотря на искусственное происхождение, ткань из акриловых волокон получается мягкой и легкой. Очень напоминает натуральную шерсть. Видимо, поэтому ее часто называют «искусственной шерстью». Это связано не только с внешним сходством. По некоторым характеристикам акриловое волокно превосходит шерстяную пряжу. Оно более прочное, гладкое, а ткань из него отличается более четким рисунком.

Полиэфирная ткань (синтетика). Это искусственно созданный материал. Процесс производства не совсем безвреден для окружающей среды. Для человека, как доказывают ученые, материал безопасен. Вещи из того материала получаются прочными, износостойкими. Почти не промокает, быстро высыхает, что позволяет использовать такую ткань при производстве верхней одежды.

Кашемир. Легкая мягкая ткань, изготовленная из чистой шерсти. Способ выработки – диагональное переплетение. Верхняя одежда, сшитая из кашемира, отличается своей практичностью, теплом и комфортом.

Замша. Является разновидностью кожи, она очень тонкая и мягкая на ощупь, при этом не просвечивается. Ее поверхность отличается водонепроницаемостью и бархатистостью.

Это лишь малая часть видов тканей, который могут быть использованы для изготовления верхней одежды. Часто на фабриках учитывают плюсы и минусы тех или иных видов и создают комбинации тканей для изготовления курток, пальто, плащей, комбинезонов и т.д.

Мы в свою очередь для проведения экспериментов по исследованию теплозащитных свойств материалов для верхней одежды рассмотрим хлопчатобумажную ткань, фланель, шерсть – натуральную и акрил, а также синтетическую полиэфирную ткань.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для решения поставленных задач мы выдвинули ряд гипотез и провели несколько опытов.

В начале проведения каждого эксперимента мы обеспечивали одинаковую начальную температуру шариков. Мы помещали их все одновременно в емкость с подогретой водой и ждали (не менее 15 минут), пока температура всех шариков станет равна температуре тела человека «36,6˚С». Охлаждение происходило, как мы отмечали выше, в условиях морозильной камеры, в которой поддерживается постоянная температура воздуха «-18˚С».

Для выполнения замеров температуры мы также использовали бесконтактный термометр.

Для проведения наших опытов мы произвели серию предварительных замеров температуры образцов при охлаждении и выбрали режим измерения температуры поверхности, в связи с тем, что режим измерения температуры тела работает только в интервале «+33 +42 ˚С».

Также мы определили минимальную границу температуры, до которой мы сможем охлаждать образцы – ее мы приняли до «+10 ̊С» в связи с тем, что при данной температуре образца показания термометра на его поверхности сильно разнились из-за контакта с руками человека.

Опыт №1

ГИПОТЕЗА: теплая одежда не греет, а сохраняет тепло.

Для проверки данной гипотезы мы провели опыт №1.

В ходе данного опыта мы довели 2 одинаковых шарика наполненных водой до комнатной температуры, а затем один из шаров обернули тканью и оставили на 30 минут.

Рис. 1. Образцы для проведения эксперимента №1. Шарик, обернутый в ткань типа «фланель» и шарик без покрытия.

Через отведенное время мы снова измерили температуру шариков – и она осталась неизменной.

ВЫВОД – ткань и одежда не греют, а лишь сохраняют тепло.

Гипотеза подтвердилась!

Для определения дальнейшего направления исследования мы попытались разобраться с природой сохранения тепла.

Опыт №2

В ходе опыта №2 была выдвинута ГИПОТЕЗА – тепло сохраняется за счет воздушной прослойки вокруг образца.

Т.е тепло сможет сохранить и не сплошной материал.

Для проверки данной гипотезы мы взяли 3 образца – контрольный (без покрытия), завернутый в ткань (шерсть), а третий поместили в мелко нарезанную мятую бумагу.

Рис. 2. Образцы для проведения эксперимента №2. Шарик, обернутый в бумагу

Все три образца охлаждались в морозильной камере в течении 1,5 часов с контролем температуры каждые 15 минут.

Данные по замерам температуры мы свели в таблицу 1.

Таблица 1. Замеры температуры Опыт 2.

Как видно из проведенного опыта резаная бумага смогла сохранить температура образца не хуже чем шерсть.

Гипотеза подтверждена!

Далее мы предположили, что различные материалы (ткани) по-разному сохраняют температуру и для проверки этого предположения провели очередной эксперимент.

Опыт №3

ГИПОТЕЗА – Тепло сохраняется различными материалами по-разному

Для проведения данного опыта мы взяли образцы (шарики, наполненные водой) одинаковой температуры и обернули их различными видами ткани (шерсть, синтетика, фланель и х/б). Начали их одновременно охлаждать в морозильной камере, контролируя температуру каждые 15 минут.

Рис. 3. Образцы для проведения опыта №3. Шарики, помещенные в различные материалы и шарик без защиты (слева направо - х/б, фланель, акрил, синтетика, без утепления)

Результаты замеров температуры мы свели в таблицу.

Таблица 2. Замеры температуры Опыт 3.

Как видно из полученных данных – температура образцов снижается с разной скоростью (быстрее всего остывает образец без защиты), т.е различные материалы по-разному сохраняют тепло.

Гипотеза подтверждена!

По результатам опыта №3 наибольшую температуру сохранил образец, завернутый в синтетику. Несмотря на то, что синтетика имела наименьшую толщину ткани. Предположительно такой результат был получен из-за большого количества слоев, в которые был обернут образец.

Также мы обратили внимание на то, как изменялась температура образца, завернутого во фланель – она начала резко падать после 90 минут опыта. Это предположительно было вызвано тем, что завязка шарика ослабла и шарик протек и намочил материал.

Мы решили проверить данные гипотезы и провели дополнительные опыты.

Опыт № 4

ГИПОТЕЗА – Несколько слоев сохраняют тепло лучше, чем один.

Для проверки данной гипотезы мы взяли 2 образца, снова подготовили их к проведению опыта (совместно нагрели и выровняли температуру), завернули один образец в один слой шерсти, а второй в 2 слоя шерсти и охлаждали оба образца в морозильной камере в течении 1,5 часов контролируя их температуру каждые 15 минут.

Данные по замерам температуры, мы свели в таблицу 3

Таблица 3. Замеры температуры Опыт № 4.

Как видно из результатов замера – образец, завернутый в 2 слоя материала сохранил большую температуру.

Гипотеза подтверждена!

Опыт № 5

ГИПОТЕЗА – Мокрый материал значительно хуже сохраняет тепло

Для проверки данной гипотезы мы взяли 2 образца, подготовили их к проведению опыта (совместно нагрели и выровняли температуру), завернули один образец в шерсть (для проведения опыта мы использовали носок из натуральной овечьей шерсти), а второй в шерсть (носок из натуральной овечьей шерсти), но предварительно намоченную.

Рис 4. Образцы для проведения опыта №5. Шарики, помещенные шерстяные носки (более темный носок - влажный, с очень неприятным запахом)

Мы охлаждали оба образца в морозильной камере в течении 1,5 часов контролируя их температуру каждые 15 минут.

Данные по замерам температуры, мы свели в таблицу 4.

Таблица 4. Замеры температуры Опыт № 5.

Как видно из результатов замера – образец, завернутый в сухую щерсть сохранил значительно большую температуру.

Гипотеза подтверждена!

Опыт № 6

Проанализировав результаты опытов № 3 и № 4, мы предположили, что не объективно будет рассматривать теплозащитные свойства материалов в условиях, когда отсутствует движение воздуха, характерное для реальных погодных условий. На основании этого предположения была сформулирована ГИПОТЕЗА – Различные материалы по разному сохраняют тепло при продувании их потоком воздуха.

Для проверки данной гипотезы нами был собран стенд, состоящий из:

- источника потока воздуха (был использован фен, работающий в режиме без нагрева)

- камеры охлаждения потока воздуха (емкость с отверстиями на дне, куда был засыпан лед)

- Камеры испытаний (емкости с отверстиями для выхода воздуха по периметру, в которую помещался образец).

Рис 5. Фото стенда при проведении измерений

При проведении опыта №6 мы столкнулись с тем, что лед таял под действием струи воздуха и исследуемый образец намокал, соответственно получить достоверные данные для анализа при этом невозможно.

Но данный опыт показал, что подходить к выбору материалов для зимней одежды необходимо комплексно.

ВЫВОДЫ

В ходе написания данной работы нами были исследованы теплозащитные свойства различных материалов, проведены работы по моделированию объектов исследования и процессов.

Гипотезы, сформулированные перед проведением опытов подтверждены (кроме опыта №6).

Сформулированные цели и поставленные задачи выполнены.

На основе проведенных опытов можно с полной уверенность выдать следующие рекомендации:

- В холодное время года соблюдайте принцип многослойности одежды

- Следите за влажностью одежды и обуви и не допускайте ношение

мокрой обуви и одежды

Также необходимо отметить, что практические рекомендации по выбору материалов для зимней одежды предоставить затруднительно ввиду того, что подходить к вопросу выбора необходимо комплексно (учитывая несколько факторов – например, мороз и ветер).

В целом данная работа может быть продолжена и расширена в будущем.

Список литературы

Книги

Б.А. Бузов, Г.П. Румянцева Материалы для одежды. Ткани. Справочник . - М.: Издательство Форум, 2019. - 245 с.

Интернет ресурсы

Что за ткань – фланель? // Textiletrend URL: https://textiletrend.ru/pro-tkani/naturalnyie/teplo-flaneli.html (дата обращения: 04.11.2022).

Шерстяная ткань // Textiletrend URL: https://textiletrend.ru/pro-tkani/naturalnyie/sherstyanaya-tkan.html (дата обращения: 04.11.2022).