XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Рисовые гири
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Сыпучие (или гранулированные) материалы, вроде песка или сахара, окружают человека повсюду - и в повседневной жизни, и в природе (геологические и тектонические процессы). Они широко применяются в технологии. Поэтому удивительно, что их свойства и поведение ученые начали всерьез изучать только недавно. Возможно, что долгое время физики-теоретики не обращали внимания на динамику сыпучих веществ, считая их неким "приземленным" материалом, неинтересным с точки зрения теории. И как оказывается в последнее время, совершенно напрасно.
Сыпучие материалы имеют некоторые свойства как твердых тел, так и жидкостей и газов, а в некоторых условиях ведут себя совершенно особым образом.
Актуальность: мы должны знать как устроен рис и почему при глубоком погружении ложка поднимается вместе с ним.
Цель: узнать почему ложка поднимается вместе с сосудом, в котором находится рис.
Для достижения поставленной цели нам необходимо решить следующие задачи:
Провести эксперимент
Определить ответы
Объект исследования: рисовые гири.
Предмет исследования: сосуд, ложка и рис.
При написании работы были использованы следующие методы научного исследования:
анализ литературы и материалов сети Internet;
статистический метод при обработке информации;
эксперимент;
обобщение;
вывод.
Основные этапы исследования:
І этап. Подготовка к исследовательской работе.
ІІ этап. Планирование исследовательской работы.
ІІІ этап. Исследование.
V этап. Выводы.
VI этап. Оформление работы.
VІI этап. Отчет и защита исследовательской работы.
Практическая значимость работы заключается в том, что получен интересный материал, который демонстрирует межпредметные связи.
Работа состоит из оглавления; введения, где определена цель исследования, методы исследования, гипотеза и т.д.; основной части, состоящей из двух глав, практической части, заключения, где сформулированы выводы и результаты; списка литературы и приложений.
Основная часть:
Теоретические основы свойств сыпучих материалов
В последнее время значительно возрос интерес к статическим и динамическим свойствам гранулированных материалов. Одна из основных проблем заключается в том, чтобы связать макроскопические свойств гранулированных материалов к микроскопическим характеристикам зерен. Хорошо известным примером является песчаная куча, которая имеет наклонную свободную поверхность с определенным углом, углом откоса. Отдельные зерна формируют наклонную поверхность под действием микроскопических сил трения на контактах частиц. Примечательно, что этот угол откоса до сих пор не может быть вычислен из микроскопических характеристик зерен. Хотя современные усилия по крупномасштабному компьютерному моделированию выявили многообещающие детали динамических процессов с участием зерен, экспериментальные исследования гранулированных упаковок все еще играют первопроходческую роль в изучении физической природы гранулированных материалов. Существует несколько общих законов, связывающих величину силы трения с основными макроскопически наблюдаемыми переменными. Основной из них гласит, что сила трения F
зависит от нормальной силы L, действующей между поверхностями как F5mLn, где m - коэффициент трения, а n'1 - так называемый индекс нагрузки. Сила Fs, необходимая для начала скольжения больше, чем сила Fd, поддерживающая движение. В предположении, что n не зависит от динамики, это различие привело к понятию двух коэффициентов: один для статического трения ms5Fs /Ln и динамического трения md5Fd /Ln,ms . Другой закон, обычно называемый закон Амонтона, гласит, что сила трения не зависит от видимой площади контакта. Оба количественных закона в целом хорошо соблюдаются, исключения из них являются редкостью, и отклонения остаются в пределах нескольких процентов в большинстве случаев скольжения связных твердых тел [1].
Одна из первых формулировок макроскопического коэффициента трения для гранулированных материалов приписывается Кулону 1773, который определил его как тангенс угла покоя [4].
Недавние измерения подтверждают идею о том, что горизонтальные зернистые слои, скользящие друг по другу, также подчиняются общим законам трения. Однако некоторые отчеты о соответствующих экспериментах предполагают, что гранулированные материалы могут обладать очень необычными свойствами, и следует тщательно рассмотреть применение таких фундаментальных принципов, как законы трения. Например, Аллен обнаружил, что угол покоя различных гранул сильно зависит от фракционной концентрации C, который определяется как общий объем зерен по отношению к общему объему упаковки зерен и пустот. Кроме того, взаимодействие на контактах с порошковой стенкой обычно не подчиняется этим законам. В некоторых случаях было обнаружено, что трение прямо пропорционально кажущейся площади контакта и довольно чувствительно к нормальной нагрузке. Важной особенностью контактов порошковой стенки является то, что зерна обладают некоторой свободой перемещения по отношению к своим соседям, поэтому частица может вносить более или менее независимый вклад в общее трение вдоль стенки [3].
Гранулированная сборка хорошо известна как простой, но своеобразный процесс, который демонстрирует различные интригующие явления. Например, гранулированное вещество демонстрирует поведение, подобное фазовому переходу, называемое переходом с заклиниванием. В принципе, переход с заклиниванием аналогичен переходу жидкость-твердое тело без упорядочивания. В дополнение к обычному переходу с заклиниванием был также обнаружен переход с заклиниванием, вызванный сдвигом. Хотя сдвиг обычно ослабляет затвердевшую структуру, заклинивание при сдвиге может усилить затвердевание макроскопического гранулированного вещества. В срезанном зернистом веществе образуются характерные силовые цепные структуры и обсуждается их связь с заклиниванием при сдвиге.
Другой характерной особенностью, наблюдаемой в гранулированном веществе, является сложное трение. Коэффициент зернистого трения µ становится функцией безразмерного числа, называемого инерционным числом I = yd/p p/ρ, где γ, d, p и ρ - скорость деформации сдвига,
диаметр зерен, ограничивающее давление и плотность зерен соответственно. Такая характеристика зернистого трения отличается от характеристики трения горных пород с законом, зависящим от скорости и состояния. Различные типы зернистого трения были смоделированы
с помощью переменной I [2].
Эта так называемая µ − I реология зернистого трения является одной из наиболее популярных основ для рассмотрения сложных характеристик зернистости. Для расширенного исследования, например, ослабление скорости зернистого трения наблюдалось в небольшом I
режиме. Коэффициент трения µ определяется отношением между нормальной силой
Fnorm и тангенциальная сила Ftan, µ = Ftan/Fnorm. А именно, сдвиг под действием тангенциальной силы необходим для характеристики трения. Как упоминалось выше, срезанный гранулированный материал может проявлять определенный вид затвердевания: заклинивание при сдвиге. Это явление может повлиять на его фрикционное поведение из-за самого сдвига
3.Практическая часть.
Эксперимент
Берём сосуд, насыпаем в него рис, в сосуд с рисом погружаем ложку (глубоко). Поднимаем ложку, и что мы видим? Ложка поднимает за собой и сосуд с рисом. Почему это происходит? Если кратко, то рис очень плотно расположен друг к другу и поэтому рис держит и ложку. Разберём всё более подробно.
В этом исследовании определяющий закон трения гранул был экспериментально получен из соотношения между постоянной силой сопротивления, фракцией упаковки и соотношением размеров между частицами и извлекаемым объектом. Увеличение устойчивого сопротивления трению за счет увеличения f может быть объяснено затвердеванием зернистого слоя, вызванным сдвигом. Доказательства наличия этой зоны сдвигового заедания (затвердевания) были получены с помощью численного моделирования. Согласно численным результатам, цилиндрическая область вокруг извлеченного стержня эффективно затвердевает за счет сильной контактной силы. Размер затвердевшей области имеет положительную корреляцию с начальной фракцией упаковки. Из этих численных данных мы заключаем, что простая модель цилиндрической затвердевшей зоны может объяснить псевдовырастание зернистого трения. Затем размер цилиндрической затвердевшей зоны систематически оценивался с использованием экспериментальных данных. Используя эти данные, мы построили эмпирический детализированный определяющий закон трения. При моделировании мы учитывали удлинение силовых цепей, создаваемых сдвигом. Благодаря этой силовой цепи, кроме того, цилиндрический узел вокруг стержня, по-видимому, затвердел в результате заклинивания сдвигом. Нормализованный радиус этой затвердевшей цилиндрической области n оценивается по результатам эксперимента. Было проанализировано соотношение между n, Dg/D и fw и получена эмпирическая форма для оценки nwas в виде уравнения. Хотя полученная эмпирическая форма согласуется с предыдущими исследованиями, физический смысл оцененных критических показателей α и β в уравнении еще недостаточно понятен. Для создания более всеобъемлющего и универсального определяющий закон зернистого трения, мы должны обратить внимание также на другие зависимости параметров (например, скорость скольжения, форма частиц и т.д.)
4.Заключение
Рис плотно расположен друг к другу. При определённой глубине погружения рис будет плотно “держать” ложку (Приложение № 1).
В данном исследовании всё зависит от силы трения. Вещества и материалы, которые принято относить к числу сыпучих, существенно различаются по физико-механическим характеристикам, определяющим, в первую очередь, возможные способы и технические средства для транспортирования и дозирования. К числу основных характеристик относятся
гранулометрический состав;
плотность частиц;
насыпная плотность;
угол естественного откоса и угол внутреннего трения;
гигроскопичность и влажность;
способность к уплотнению под действием внешних сил;
склонность к когезии и адгезии;
сдвиговые и распределительные характеристики;
комбинированные характеристики.
5.Список используемой литературы(источников):
K. Ichiki and H. Hayakawa, Phys. Rev. E 52, 658 ~1995; T. Po¨schel and V. Buchholtz, J. Phys. ~France! I 5, 1431 ~1995; G. Ristow and H. J. Herrmann, Phys. Rev. E 50, R5 ~1994!; A. Ka´rolyi and J. Kerte´sz, in Proceedings of the 6th Joint EPSAPS International Conference on Physics Computing, edited by R. Gruber and M. Tomassini ~EPS, Geneva, 1994!, p. 675; J. A. C. Gallas, H. J. Herrmann, and S. Sokolowski, Phys. Rev. Lett. 69, 1371 ~1992
R. P. Behringer, D. Bi, B. Chakraborty, A. Clark, J. Dijksman, J. Ren and J. Zhang, J. Stat. Mech. 2014 (2014) P06004.
Bi D, Zhang J, Chakraborty B and Behringer R P 2011 Jamming by shear Nature 480 355–8
Приложение №1