XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Необычная память
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
-
«Что может быть важнее, чем хорошая память?»
В окружающем мире существует множество различных металлических предметов. В нашем восприятии они имеют постоянную форму, изменить которую можно только подвергнув их какому-то значительному воздействию. Однако существуют металлы, которые могут запоминать свою форму и возвращаться к ней просто при небольшом изменении температуры. Я решил провести исследовательскую работу и разобраться, каким образом и при каких обстоятельствах металлические предметы могут менять свою форму, а также какое практическое применение имеет это свойство для человека.
Выбранная мной тема исследовательской работы актуальна, поскольку для дальнейшего технического прогресса нужны новые материалы с необычными свойствами. Работы по изучению эффекта запоминания первоначальной формы сплавами металлов велись и ведутся до сих пор во многих странах. Возможно, необычная память металлических сплавов позволить создать, например, новый вид двигателя или робота-помощника.
Цель исследования: изучение эффекта памяти формы металлических сплавов и его использование в практических целях.
Задачи:
1. Узнать, что такое эффект памяти формы;
2. Проверить опытным путем, как нитинол помнит свою форму;
3. Создать устройства, работающие за счет памяти нитинола;
4. Узнать, где сплавы с памятью формы уже применяются;
5. Сделать выводы.
Гипотеза: Эффект памяти формы металлических сплавов имеет перспективы дальнейшего практического применения.
Практическое исследование
1. Эффект памяти формы
Долгие годы считалось, что процесс деформации металлов, находящихся в твердом состоянии, абсолютно необратим. Однако в шестидесятых годах 20 века американские ученые У. Бюлер и Ф. Ванг открыли целый класс металлических сплавов, процесс деформации в которых осуществляется посредством структурных превращений, происходящих при изменении их температуры.
Одним из таких материалов является никелид титана или нитинол. Это сплав никеля (55%) и титана (45%). Он является одним из самых изученных и широко применяемых сплавов, обладающих эффектом памяти формы.
Если деталь из нитинола подвергнуть нагреву до красного каления, то она запомнит свою форму. После остывания до комнатной температуры деталь можно деформировать, но при нагреве выше 40 – 50 °C она восстановит первоначальную форму. Это уникальное свойство определяется структурой кристаллической решетки сплава. Запоминание формы происходит благодаря тому, что при закаливании материала упорядочивается взаимное расположение атомов, из которых он состоит.
Таким образом, эффект памяти формы – это возобновление после деформации изначальной формы под действием тепла, наблюдающееся у определенных материалов.
Разобраться, какими физическими и химическими свойствами сплава обусловлен эффект памяти формы, достаточно сложно, и пока для этого у меня не достаточно теоретических знаний. Но проверить, как этот эффект осуществляется на практике, я вполне могу.
2. Что «умеет» нитинол?
Проволока из нитинола есть в свободной продаже на сайтах интернет-магазинов. Для проведения опытов мы с папой заказали проволоку толщиной 0,6 мм.
Опыт 1. Я взял небольшой прямой кусочек нитиноловой проволоки, изогнул его в виде колечка и опустил в теплую воду примерно 60 – 70 °C. Проволока полностью распрямилась до первоначальной формы (приложение № 1). Тогда я этот кусочек согнул уголком и снова поместил в емкость с водой. Но, к сожалению, проволока осталась в согнутом состоянии. Увеличение температуры воды до 100 °C тоже не произвело нужного эффекта (приложение № 2).
Таким образом, я понял, что нитинол действительно обладает эффектом памяти формы, но существует некая критическая точка деформации, после которой восстановление прежней формы материала невозможно.
Опыт 2. Для дальнейших опытов я решил «запрограммировать» свою форму, сделав из проволоки пружинку. Для этого я взял металлический стержень, намотал на него несколько витков проволоки и закрепил концы (приложение № 3). Следующим шагом мы с папой нагрели проволоку до красноты с помощью газовой горелки и после этого охладили ее (приложение № 4). В результате получилась пружинка из нитиноловой проволоки (приложение № 5).
Опыт 3. Поскольку я знаю, что при прохождении электрического тока через проводник происходит его нагревание, то я решил, что для возврата нитинола к прежней форме вместо теплой воды можно использовать электрический ток. С помощью электронного конструктора я собрал электрическую схему с элементом питания и кнопочным выключателем, вставил в электрическую цепь свою пружинку, предварительно немного растянув ее. При включении выключателя пружинка сжалась до первоначальных размеров (приложение № 6).
Я сделал вывод, что возвратить изделие из нитинола к первоначальной форме можно с помощью любых способов увеличения его температуры, в том числе используя электрический ток.
Опыт 4. Из конструктора я собрал штатив и закрепил на нем один конец нитиноловой пружинки. К другому концу пружинки подвесил небольшой груз, который под действием силы тяжести растянул ее. Затем я стал нагревать пружинку. И она снова сжалась, несмотря на то, что на ней висел груз, до этого растянувший ее (приложение № 7).
То есть, возвращаясь к первоначальной форме, пружинка может перемещать предметы с помощью возвратной силы, которая в данном случае даже больше силы тяжести.
На основании проведенных опытов можно сделать вывод, что нитинол уникальный сплав, обладающий свойством восстанавливать форму под воздействием внешних факторов, повышающих его температуру. При этом с помощью возвратной силы может совершаться работа по перемещению предметов.
3. Практическое применение памяти нитинола
В предыдущих опытах я увидел уникальность свойства нитинола возвращаться к заданной форме, и у меня возникло несколько идей его практического применения.
3.1. Шагающий робот
Я предположил, что память нитинола сможет «помочь» роботу совершать шаги.
Опыт 5. Из конструктора я собрал небольшого робота, состоящего из двух ног, одна из которых короче другой. Один конец нитиноловой пружины я закрепил в нижней части короткой ноги, а другой – в верхней части длинной ноги. Пружинку через провода подключил к электрической схеме, описанной в опыте 3. Раздвинул ноги робота, растягивая пружину, приводя, таким образом, его в исходное положение (приложение № 8).
Дальше при включении выключателя электрический ток проходит через пружинку и сжимает ее. При этом длинная нога подтягивается к короткой ноге (приложение № 9).
При отключении электричества пружинка ослабевает и нужно вытолкнуть короткую ногу вперед. Для этого можно использовать канцелярскую резинку, натянув ее от одной ноги к другой через верхнее основание. При сближении ног резинка будет дополнительно растягиваться и стремиться вернуться к исходному положению, когда пружинка ослабнет и позволит ей это.
Либо можно к ногам прикрепить прочную проволоку, идущую через основание и согнутую в форме исходного положения ног. Когда пружина приблизит ноги друг к другу, верхняя проволока чуть сожмется, и при ослаблении пружины будет стремиться вернуться в исходное положение, раздвигая ноги робота.
Для более уверенного раздвижения ног можно верхнюю проволоку сделать из нитинола, предварительно «задав» ей начальную форму в виде исходного положения ног. Подключить ее к электрической цепи таким образом, чтобы бы переключатель менял подачу тока с пружинки на проволоку. В таком случае, когда ток подается на пружину, длинная нога приближается к короткой, изменяя при этом форму проволоки, а когда ток подается на проволоку, пружинка ослабевает, а проволока раздвигается до исходного положения и заставляет короткую ногу выдвинуться вперед. Робот шагает с помощью переключения направления подачи тока с пружинки на проволоку и обратно.
3.2. Водяной двигатель
Многие ученые ищут различные способы устройства двигателя, в котором не было бы задействовано ископаемое топливо. Я решил собрать двигатель, использующий свойство нитинола.
Опыт 6. Сначала из конструктора я собрал 2 опоры на одном основании. Из оргстекла вырезал 2 круглых диска: один диаметром 10 см, другой – 9 см. Сделал центральные отверстия и еще по 6 отверстий по краю дисков на равном расстоянии друг от друга. Дальше я закрепил диски каждый на своей опоре так, чтобы выполнялись следующие условия: 1) когда я поставлю свою конструкцию в воду, обязательно два отверстия из шести на каждом из дисков должны оказаться в воде; 2) диски расположены параллельно друг другу, но со смещением центральной оси так, чтобы с одной стороны оказалось минимальное расстояние между ними приблизительно на уровне воды (приложения № 10, 11) .
Кроме того, опоры я сделал на вращающихся основаниях для того, чтобы можно было дополнительно сместить плоскость дисков с целью увеличить разность расстояний между ними в разных точках. В точке выхода из воды расстояние минимальное.
Дальше я сделал шесть пружинок из нитинола одинаковой длины, равной минимальному расстоянию между дисками. Пружинки немного растянул и закрепил один конец каждой пружинки в отверстиях на большом диске, другой конец – в отверстиях на маленьком диске.
Двигатель готов (приложение № 11). Необходимо поставить всю конструкцию в теплую воду, и он завращается. Принцип работы очень простой. Когда нитиноловая пружинка попадает в теплую воду, она сжимается до своих первоначальных размеров и стремится оказаться там, где расстояние между дисками минимальное, то есть сила восстановления формы нитиноловой пружины проворачивает диск так, что пружина оказывается рядом с поверхностью воды. При этом следующая пружина окунается в воду и тоже сжимается, двигаясь в направлении минимального расстояния между дисками и выталкивая предыдущую пружину из воды. Вращение будет продолжаться, пока есть достаточная разница между температурой воды и воздуха.
3.3. Промышленное применение свойств нитинола
В настоящее время самое больше практическое применение эффекта памяти формы металлических сплавов приходится на медицину и космонавтику.
В медицине благодаря ему появилась возможность пользоваться такими устройствами, как искусственные мышцы, приводящиеся в действие электрическим током, стенды для введения в сосуды кровеносной системы, стержни для коррекции позвоночника, скобы для выпрямления зубов и другие.
В космической технике с помощью этих сплавов эффектно решается традиционная проблема экономии места. Свернутые или скрученные в компактную форму и уложенные в небольших нишах космического корабля антенны и другие механизмы распрямляются или выдвигаются от действия солнечного тепла.
Не смотря на то, что эффект памяти формы был обнаружен достаточно давно, его применение долгое время было ограничено. Объясняется это тем, что изготовление нитинола чрезвычайно сложный процесс. Однако развитие технологий делает его производство более доступным. При этом нитинол по-прежнему остается очень дорогим материалом.
Кроме того, основным недостатком подобных сплавов долгое время был небольшой запас цикличности. Количество управляемых деформаций не превышало пары тысяч, после чего сплав терял свои свойства. Поиски решения этой проблемы привели к использованию в сплаве нано-частиц титана и никеля, что увеличило количество превращений до нескольких миллионов раз.
Так или иначе эффект памяти формы металлических сплавов используется во многих областях и диапазон его применения увеличивается с каждым днем.
Заключение
В ходе исследовательской работы я изучил принцип эффекта памяти формы металлических сплавов, провел несколько опытов, подтверждающих его наличие, собрал два различных устройства, работающих на основе эффекта памяти формы, выяснил, где уже применяется нитинол, узнал о дальнейшем технологическом совершенствовании самого сплава и его производства. Цель исследования выполнена.
Удивительный материал с памятью формы постепенно занимает все большее место в нашей жизни. Несомненно, он имеет огромные перспективы дальнейшего практического применения, несмотря на имеющиеся недостатки, которые ученые постепенно преодолевают. Гипотеза, выдвинутая в работе, подтвердилась.
В заключение я хочу сказать, что металлы, не являясь живыми существами, обладают таким свойством, которое позволяет им проявлять необычную и удивительную память. Можно с уверенностью сказать, что это материал будущего.
Список литературы и интернет-источников
1. Искусственные мышцы. [Электронный ресурс] URL: http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/3910/;
2. Леонович А.А. Я познаю мир. Детская энциклопедия. Физика. – М.: Издательство ACT «Я познаю мир», 1998. – 480 с.;
3. Материалы с памятью формы. [Электронный ресурс] URL: https://extxe.com/14797/materialy-s-pamjatju-formy/;
4. Металл и память. [Электронный ресурс] URL: https://vikant.com.ua/news/epf;
5. Необычные свойства нитинола и его применение в медицине. [Электронный ресурс] URL: https://medconfer.com/node/5453;
6. Никель — медный дьявол. [Электронный ресурс] URL: http://allforchildren.ru/rasmet/me11.php;
7. Скрипко З. А. Изучение темы «Эффект памяти формы материалов» в педагогическом вузе: учебно-методическое пособие. – Томск: Изд-во ТГПУ, 2010. – 40 с.
Приложения
Приложение № 1
Рис 1. Опыт 1: колечко
Приложение № 2
Рис 2. Опыт 1: уголок
Приложение № 3
Рис.3. Опыт 2: формирование пружинки
Приложение № 4
Рис.4. Опыт 2: обжигание пружинки
Приложение № 5
Рис.5. Результат опыта 2: пружинка
Приложение № 6
Рис.6. Опыт 3: влияние электрического тока на пружинку
Приложение № 7
Рис.7. Опыт 4: пружинка с грузом
Приложение № 8
Рис.8. Опыт 5: исходное положение робота
Приложение № 9
Рис.9. Опыт 5: смещенное положение робота
Приложение № 10
Рис.10. Опыт 6: схема двигателя
Приложение № 11
Рис.11. Опыт 6: конструкция двигателя (без пружин)
Приложение № 12
Рис.12. Опыт 6: конструкция двигателя (с пружинами)