XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Форма имеет значение или как прочность зависит от формы
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение, эксперимент №1
Однажды, мне нужно было построить мост для динозавров, но у меня был только один тонкий лист бумаги формата А4 и он не выдерживал ни одного динозавра (рис.1).
Рис. 1. Мост из листа бумаги не выдерживает груз в виде игрушки
Я попросил маму дать мне что-то попрочнее, но она сказала, что я могу изменить форму листа и он выдержит всех моих динозавров. Я не поверил, что такое может быть. Ведь лист провисает даже под собственной тяжестью (рис.2), как он может выдержать динозавра. Лист не выдерживает даже вес ластика.
Рис. 2. Мост из листа бумаги провисает даже под собственной тяжестью
2. Цель, задачи, гипотеза исследования
Цель исследования:
Убедиться, что лист бумаги может выдержать тяжелые предметы, если изменить его форму и выяснить, какую форму надо придать листу бумаги, чтобы он стал прочнее.
Задачи исследования:
- Складывая лист бумаги формата А4 в разные формы, исследовать, при каких формах лист бумаги сможет выдержать наибольший груз;
- Найти примеры в жизни, как, меняя форму, придают материалу прочность.
Гипотеза исследования:
Если свернуть лист бумаги в определенную форму, то он станет прочнее и выдержит груз, который не выдерживает в форме ровного прямого листа.
Видео всех моих экспериментов можно посмотреть по ссылке: https://disk.yandex.ru/i/COKWu0b21-cAow
Методы исследования:
- беседы с родителями,
- проведение экспериментов,
- наблюдение,
- поиск информации в интернете.
|
3. Эксперимент №2, лист дугой |
Продолжим эксперименты.
Для начала вспомним популярные во всем мире горбатые мосты и свернем лист дугой между опорами. Смотрите, лист выдерживает ластик!
Рис. 3. Мост из листа бумаги, согнутый дугой
Но динозавра такой мост не выдержал.
Вывод: лист бумаги, сложенный дугой между опор, выдерживает груз ластика. Форма дуги придает листу прочность. Но недостаточно, чтобы выдержать груз из динозавров.
Тем не менее, в мире в много мостов в форме дуги.
Рис.4 Иллюстрация мостов в форме дуги
4. Эксперимент №3, ребра жесткости
Продолжим экспериментировать с формой.
Согнем лист бумаги по краям. Каждый сгиб – это ребро жесткости. И его довольно сложно продавить.
Рис. 5. Сгибание листа по краям, формирование ребер жесткости
Рис.6. Мост из листа бумаги с ребрами жесткости
Бумага уже не провисает под своим весом. Поставим динозавра, и еще одного. Мост в такой форме, с двумя сгибами, выдержал двух динозавров! Под тяжестью третьего динозавра мост упал.
Вывод: лист бумаги, сложенный по краям выдерживает груз нескольких игрушек. Сгибы – это ребра жесткости – они придают листу прочность.
5. Эксперимент №4, лист «гармошкой»
Если два ребра жесткости дали такой хороший эффект, то я увеличил их количество. Сложил лист бумаги гармошкой. Проверим, сколько динозавров, выдержит такой мост. Раз, два, три…всех моих динозавров (рис.8)! Такой мост сможет выдержать даже тяжелую книжку.
Вывод: лист бумаги, сложенный гармошкой, выдерживает еще больший груз за счет большого количества ребер жесткости. Ребра жесткости сложно продавить, поэтому лист не прогибается под тяжестью груза.
Рис. 7. Мост из листа бумаги, сложенный гармошкой, не провисает под своей тяжестью
Рис.8. Мост «гармошкой» выдержал тяжесть 4 игрушек
6. Ребра жесткости, гофрирование
В настоящих мостах тоже используют этот метод укрепления. Его еще называют гофрирование.
Гофри́рование – процесс создания складок – (гофров) в листовых материалах путём гибки листа, через фиксированное расстояние, с целью улучшения прочностных характеристик материала и способности материала сопротивляться образованию деформации.
Р ис.9. Мосты с гофрированными балками
Когда изделие нельзя делать толстым или тяжелым, то, чтобы сделать тонкий материал прочным, часто применяют гофрирование. Например, чтобы из тонкого картона сделать прочную коробку, между листами картона сделали гофрированный слой. Называется – гофрокартон. Из него коробка прочнее.
Рис.10. Гофрокартон
Еще делают гофрометалл для труб, крыш, заборов, гофропластик для защиты проводов.
Рис.11. Гофрометалл
Во времена рыцарей гофрирование усиливало прочность доспехов. Делали волнистыми и нагрудники и шлемы и защиту рук и ног. На рисунке 12 посередине – это не девочка-рыцарь в юбке. Это усиление прочности тонкого металла гофрированием, защита от удара меча.
Гофрирование крыши внедорожника позволяет укрепить его крышу (рис.13). Чтобы не утяжелять машину толстым металлом, на тонкую металлическую крышу добавили ребер жесткости. Теперь она прочнее. Крыша не пробьется, если машина перевернется
Рис.12. Гофрирование усиливало прочность доспехов
Рис.13. Ребра жесткости на крыше внедорожника
7. Эксперимент №5, объемные фигуры
Продолжим экспериментировать с формой.
Тот же тонкий лист бумаги формата А4 свернем и склеим в колонны разных геометрических форм: круг, квадрат и треугольник – рис. 14. Давайте посмотрим, какая форма сама прочная. Будем выкладывать книги на каждую колонну по одной, чтобы определить, колонна какой формы выдержит наибольший груз (наибольшее количество книг)
Рис. 14. Из одинаковых листов бумаги склеены три разные по форме колонны
Положим на треугольную колонну груз из книг. …. Выдержала 2 книги
Положим на квадратную колонну книги…. Выдержал 2 книги
Положим книги на круглую колонну, она называется цилиндром …. Выдержала 8 книг.
Видео моего эксперимента смотрите по ссылке: https://disk.yandex.ru/i/COKWu0b21-cAow
Вывод: круг (цилиндр) наиболее прочный из всех фигур. Окружность более равномерно распределяет тяжесть предметов, чем фигуры с углами, поэтому цилиндр выдержал больший груз – 8 книг.
Рис. 15 Цилиндрические колонны – наиболее прочные
Наш мост через Волгу имеет округлые опоры и многочисленные ребра жесткости.
Рис. 16 Мост через р.Волга
8. Заключение
Все мои эксперименты показали, что форма имеет существенное значение. От формы, которую придают материалу зависит его прочность.
Цель исследования достигнута: яна практике продемонстрировал, что лист бумаги, становится прочнее, если изменить его форму. А именно, если его согнуть дугой, по краям или гармошкой. Наиболее прочная форма – это форма с многочисленными ребрами жесткости, гофрированная.
При сравнении прочности геометрических фигур наиболее прочной оказалась форма цилиндра.
Гипотеза подтверждена.