ВЛИЯНИЕ ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫХ СМЕСЕЙ НА КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ

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

ВЛИЯНИЕ ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫХ СМЕСЕЙ НА КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ

Анисимова В.А. 1Набойченко И.П. 1
1
Новичкова А.О. 1
1
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1.Введение

Вы когда-нибудь наблюдали, как пингвины преодолевают покрытые льдом поверхности? Они прыгают на брюшко и, оттопырив вверх крылья - скользят. В такой ситуации часто оказываются и автомобилисты и пешеходы, правда, не по собственной воле. Когда у машины колеса перестают слушаться управления, а у человека ноги - тут что-то общее есть с копытными. Как этого избежать, и при этом грациозно преодолевать любые препятствия на дорогах и тротуарах – об этом повествует наш проект.

Появление на дорожных покрытиях снежно-ледяных отложений в зимних условиях является неизбежным природным явлением, которое во многих регионах наблюдается в течение 2 - 4 месяцев, а в отдельных регионах, в частности города Екатеринбурга доходит до 6 - 8 месяцев в году. На скользких дорогах снижаются скорость движения и производительность транспортных средств, увеличиваются себестоимость перевозок и количество ДТП. Улучшение транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог и улиц достигается двумя методами: предварительной обработкой покрытий антигололедными средствами, предотвращающими образование снежно-ледяных отложений, и/или повышением сцепных качеств образовавшихся на проезжей части дорожных одежд снежно-ледяных отложений за счет создания шероховатой поверхности фрикционными или комбинированными противогололедными материалами.

Установлено, что использование химических противогололедных материалов снижает затраты на зимнее содержание автомобильных дорог, улучшает состояние покрытий и повышает безопасность дорожного движения. В России, принимая во внимание многолетний зарубежный и отечественный положительный опыт, в 2005 г. была разработана концепция по переводу ряда дорожных хозяйств на химический способ борьбы с зимней скользкостью. Цель этого мероприятия - повышение эффективности использования бюджетных средств, выделяемых на зимнее содержание федеральных автомобильных дорог России.

Территория нашего учебного заведения не является исключением, администрация нашей школы особенно тщательно заботится о безопасности учащихся на территории школы, тем более в период зимних холодов.

Нам стало интересно, какие именно реагенты используют на территории нашей школы по борьбе со скользкостью. Проконсультировавшись с руководством нашей школы, нам стало любопытно, какой из реагентов наиболее эффективный с точки зрения максимального сцепления подошвы обуви и зимней дороги.

Целью нашего проекта является расчет коэффициента трения – скольжения обуви по поверхности льда, обработанного антигололёдными реагентами.

Цель может быть достигнута путём решения следующих задач:

  1. Изучить способы использования противогололёдных реагентов: NaCl, MgCl, KCl, CaCl в борьбе с зимней скользкостью

  2. Провести эксперимент по вычислению коэффициента трения – скольжения обуви по поверхности льда при использовании реагентов: NaCl, MgCl, KCl, CaCl

  3. Сделать вывод об эффективности реагентов по следующим параметрам: показание максимального коэффициента трения скольжения, экономическая выгода, безопасность для человека.

Наш кабинет физики оснащен цифровым лабораторным практикумом по физике. Для проведения проекта мы используем лабораторную работу по измерению коэффициента трения различного типа поверхностей, герконовые датчики, наклонную плоскость и ноутбуки, которые блестяще справляются с задачами по обработке данных.

  1.  
    1.  
      1. 2.Основная часть
        1. 2.1 Теоретическая часть

Образующуюся на автомобильных дорогах зимнюю скользкость легко и быстро можно ликвидировать путем применения различных технологических операций и своевременного распределения противогололедных материалов. Приступают к работам по предупреждению или ликвидации зимней скользкости с использованием ПГМ до образования снежно-ледяных отложений (профилактический способ) или сразу же при ее возникновении. Работы выполняют с учетом местных метеорологических условий и состояния дорожного покрытия. Для этого определяют температуру воздуха и покрытия, вид скользкости и толщину слоя отложений на дороге.

г. Екатеринбург

Антигололедная обработка покрытий является основной концепцией и стратегией борьбы со снегом и гололедом, согласно которым химическое вещество, понижающее температуру замерзания, либо в жидкой форме, либо в предварительно увлажненном твердом виде распределяется непосредственно на дорожное покрытие перед снегопадом и гололедообразованием. Химические вещества предупреждают сцепление снега и льда с дорожным покрытием и препятствуют образованию трудно устраняемого слежавшегося слоя снега и льда, формирующегося во время или после снегопада. Традиционным же методом борьбы со снегом и гололедом, используемым ранее в качестве основного способа удаления снега с дорожной одежды, являлась снегоочистка, а не химические вещества [16].

В настоящее время метод предварительной антигололедной обработки покрытий автомобильных дорог в США развился до уровня современной стратегии борьбы со снегом и гололедом, в которой используются новые научно обоснованные и эффективные технологии. К таким технологиям относятся: система информации о погодных условиях на дороге (RWIS), прогнозирование погодных и температурных условий на определенных участках дороги, использование более сложного распределительного и снегоочистительного оборудования. На протяжении трех лет в 15 дорожных агентствах штатов испытывали и оценивали различные технологии и системы антигололедной обработки покрытий, чтобы определить топографические, климатологические, метеорологические условия и условия дорожного движения, при которых противогололедные материалы оказывают наибольшую эффективность.

В нашем экспериментальном исследовании мы используем несколько реагентов, а точнее: KCl, NaCl, MgCl2 , CaCl2 .

Сравнивая их по нескольким показателям:

  • Температура действия;

  • Длительность действия;

  • Влияние на подошву обуви;

Рассмотрим каждый из элементов по выше представленным показателям:

NaCl:

Температура действия:

  • Эвтектическая: -21,2°С ;

  • Рабочая: -10°С.

Плюсы:

  • Низкая цена;

  • Быстро растворяет снег,

Минусы:

  • Негативное влияние шины автомобиля(приводит к коррозии);

  • Негативное влияние на подошву обуви;

  • Способствует разрушению дорожных покрытий.

Использование на зимних дорогах хлорида натрия в качестве противогололедного средства приводит к различным воздействиям соли на здоровье людей и окружающую среду, например, к загрязнению источников грунтовой воды и растительности. Поэтому конфликтной ситуацией у дорожников можно считать сочетание сохранения в зимний период качественного состояния дорог и защиты окружающей среды от воздействия дороги.

Для борьбы с зимней скользкостью на автомобильных дорогах и городских улицах в России и за рубежом широко применяют противогололедные материалы на основе хлористых солей и, в первую очередь, на основе хлористого натрия (NaCl). Широкое распространение хлористого натрия происходит из-за его доступности и дешевизны по сравнению с другими ПГМ. Однако у него имеется и ряд отрицательных свойств (коррозия металла, угнетение растений, шелушение цементобетона и т.п.), которые снижают эффективность его использования. Поэтому неслучайно во многих странах мира не прекращается поиск новых материалов и технологий, позволяющих не только снизить экологическую нагрузку на окружающую среду, но и повысить эффективность борьбы с зимней скользкостью на автомобильных дорогах и городских улицах.

KCl:

Температура действия:

Эвтектическая: -10°С ;

Рабочая: -4°С;

Изучение миграции соли является одной из важных проблем, которая стоит перед дорожниками и экологами. Полное понимание всей системы, вероятно, невозможно, но путем упрощенного представления реальной окружающей среды в виде модели можно достичь концептуального понимания всей проблемы.

Система миграции противогололедной соли может быть представлена в виде схемы (рис. 20), где показаны механизмы и пути переноса соли с поверхности автомобильной дороги [19].

Рис. 20. Модель системы миграции противогололедной соли (стрелками показаны виды миграции противогололедной соли)

Путь миграции противогололедной соли можно представить/в следующем виде. Распределитель наносит противогололедную соль на дорожное покрытие. Это действие является исходной точкой системы миграции. Затем соль мигрирует с дорожного покрытия без посторонней помощи (за счет силы тяжести) или уносится колесами транспортных средств. Образующийся поверхностный сток смывает соль на придорожную полосу или в дренажные системы. Некоторая часть соли может инфильтроваться в дорожное покрытие и достигать внутренней части дорожной одежды. Соль, вовлеченная в воздух при движении транспортных средств или при снегоочистке, удаляется с проезжей части в виде выплесков, распыления раствора или сухих кристаллов, которые затем осаждаются на дорожное покрытие или на придорожную полосу, техносферу, растительность, грунтовую поверхность, слой снега или поверхностную воду окружающей экосферы. Из дренажной системы раствор соли попадает в грунтовые воды. Там, где раствор соли и грунтовая вода вступают в контакт с зоной распространения корневой системы растений, происходит поглощение соли их корнями. Некоторая часть соли, осаждаемая на листве, стволах и ветках растений, будет проникать внутрь растения, но большая часть переносится сквозными осадками и приствольным стоком атмосферных осадков в грунтовую поверхность ниже растительного слоя.

MgCl2:

Температура действия:

  • Эвтектическая: -33,5°С;

  • Рабочая: -15°С.

Плюсы:

  • Безопасен для человека и окружающей среды;

  • Быстро растворяет лед;

  • Невысокая цена, но дороже чем NaCl.

Минусы:

  • Вызывает коррозию металла.

  • Наиболее экологически безопасный антиобледенитель из всех представленных

CaCl2:

Температура действия:

  • Эвтектическая: -51°С;

  • Рабочая: -34°С.

Плюсы:

  • Низкая цена;

  • Безопасен для окружающей среды.

Минусы:

  • Наносит серьезный вред автомобильным шинам;

  • Негативно влияет на подошву обуви;

  • Невысокое время действия(3-4 часа).

  1. Влияниереагента

  1.  
    1.  
      1.  
        • На человека

При попадании на кожу и слизистые может вызвать раздражение и сухость.

  1.  
    1.  
      1.  
        • На здания

Обладает низкой коррозионной активностью, с бетоном не взаимодействует.

  1.  
    1.  
      1.  
        • На обувь

В отличии от хлористого

Натрия не оставляет белых разводов на обуви.

  1.  
    1.  
      1.  
        • На животных

При правильном применении и соблюдении ПДК безопасен для животных и растений.

  1. Эффективность

Таблица для расчета количества хлорида кальция при уборке льда г/м2

Температура воздуха

Толщина льда

0-2

-2-4

-4-6

-6-10

-10-15

-15-20

1-2мм

10

15

20

25

45

65

3-5мм

20

30

40

55

90

135

             

Требования к противогололёдным материалам:

- Физико-химические: растворимость в воде, температура замерзания, эвтектическая температура, эвтектическая концентрация, теплота растворения, вязкость растворов, водородный показатель (рН).

- Адгезионные: плавление снежно-ледяных отложений (СЛО), проникание в СЛО, адгезия льда к покрытию.

- Коррозионные: коррозия металлов (без покрытия и с покрытием) и стальной арматуры в цементобетоне, агрессия на цементобетон при механическом воздействии и истирании.

- Технические: зерновой состав, форма зерен, сыпучесть (слеживаемость), пылимость, плотность.

- Экологические: допустимая экологическая концентрация - комплексный показатель, способный оценить влияние ПГМ на все элементы окружающей среды.

Все эти характеристики определяются при контрольных проверках или при сертификации продукции, которые гарантируют качество ПГМ в процессе хранения и применения, а также при проведении мониторинга зимнего содержания автомобильных дорог.

  1.  
    1.  
      1.  
        1. 2.2 Практическая часть

В наших лабораторных условиях рассчитать коэффициент трения – скольжения необходимо следующим образом: нам понадобятся 4 наклонные плоскости, брусок, герконовые датчики.

1.Проверить комплект оборудования для выполнения лабораторной работы: наклонная плоскость, штатив, герконовые датчики, ноутбук, брусок, измерительная лента, поролоновый коврик

2.Собераем установку для изучения движения бруска по наклонной плоскости:

А) высота подъема наклонной плоскости должна составлять 50 сантиметров

Б) Герконовые датчики расположены на отметке 20см (первая пара датчиков) и 60 см (вторая пара датчиков)

В) у нижнего края скамьи положите поролоновый коврик

3.Рассчитать коэффициент трения бруска о скамью можно при помощи формулы:

, где b-высота подъема скамьи; c-длина скамьи

Используя данную формулу, мы получили теоретическое значение коэффициента трения бруска и скамьи, не учитывая качество обрабатываемых поверхностей.

Запускаем программу Практикум и выберите сценарий « Изучение коэффициента трения» в разделе Механика.

Схематично, наша установка выглядит следующим образом:

Для дальнейших расчетов нам понадобятся значения следующих тригонометрических функций:

произведите расчеты, используя свои данные.

При спуске под таким углом брусок движется с ускорением, определяемым разностью проекций силой тяжести и силы трения.

Это позволяет, измерить ускорение «а» бруска с грузом, рассчитать коэффициент трения:

Запускаем программу расчета измерений и отпускаем брусок с резиновой прослойкой по плоскости вниз.

Заносим несколько промежутков времени прохождения бруска:

t1- промежуток времени движения бруска между верхней парой герконов(первый и третий импульс)

t2- промежуток времени движения бруска между нижней парой герконов(пятый и седьмой импульс)

t3-промежуток времени между первым и третьи герконом (первый и пятый импульс)

Значение скоростей и ускорение компьютер рассчитывает автоматически.

Используя ускорение бруска, полученное экспериментальным путём, рассчитаем коэффициент трения по формуле: Первый эксперимент мы проводим на плоскости на которой находится только ледяное покрытие. Далее на плоскость наносим реагенты, и повторяем эксперименты каждые 15 минут, в каждом случае просчитываем коэффициент трения – скольжения.

Мы устанавливаем все плоскости на высоту 50 см и производим 5 измерений. Первое измерение производим на обычной поверхности, после измерения посыпаем их солью и производим измерения в момент времени 15, 30, 45 и 60 минут. Все измерения проводим в программе «Практикум».

Чтобы измерить коэффициент трения делаем следующие действия:

  • Запустите программу расчета измерений и отпустите брусок по скамье. Остановите измерения.

  • Измерьте несколько промежутков времени (используя желтый и зеленый маркер, соответственно):

t1- промежуток времени движения бруска между верхней парой герконов(первый и третий импульс)

t2- промежуток времени движения бруска между нижней парой герконов(пятый и седьмой импульс)

t3-промежуток времени между первым и третьи герконом (первый и пятый импульс)

  • Обратите внимание, что значение скоростей и ускорение компьютер рассчитывает автоматически.

В результате мы получили следующие значения коэфициентов трения – скольжения:

время измерений

Значение коэффициента трения

минуты

Na Cl

MgCl

KCl

CaCl

0

0,12

0,12

0,12

0,12

15

0,17

0,15

0,11

0,22

30

0,21

0,18

0,16

0,27

45

0,21

0,19

0,17

0,34

60

0,22

0,2

0,18

0,34

Результаты, представленные в таблице, иллюстрируем на графике:

  1.  
    1.  
      1. 3.Заключение

По результатам нашего исследования был выявлен реагент: хлорид Кальция, как наиболее эффективный.

Его эффективность была подтверждена по следующим критериям:

  • данный реагент обладает высокими гигроскопическими свойствами, то есть замерзание при смешении со снегом происходит при температурах ниже 48°C.

  • хлорид Кальция безвреден при попадании на кожу человека, а так же кожу животных, а в разумных количествах в медицинских целях и вовсе использует в качестве препарата для стабилизации общего состояния человеческого организма.

  • при проведении эксперимента по расчету коэффициента трения – скольжения хлорид Кальция показал лучшие результаты, то есть при смешивании льда с данным реагентом, получаем поверхность с максимальным коэффициентом трения – скольжения, что в свою очередь обеспечивает качественную сцепку обуви с поверхностью.

  • обладает высокой впитывающей способностью, при соприкосновении со снегом или льдом вступает в химическую реакцию с выделением тепла и образованием рассола, что облегчает дальнейшую уборку территории.

В процессе нашего исследования было установлено: реакция хлорида кальция со льдом наиболее продолжительна и эффективна.

В заключении, хотелось бы отметить, что поставленная нами задача была успешно выполнена в процессе работы над проектом.

В качестве перспективного пути развития нашего проекта мы планируем исследовать ацетатные реагенты, которые используются в других странах, а именно рассчитать коэффициент терния поверхностей, покрытых антигололёдными реагентами.

  1.  
    1.  
      1. 4.Список литературы
  1. Борьба с зимней скользкостью на автомобильных дорогах / Г.В. Бялобжеский, М.М. Дербенева, В.И. Мазепова, Л.М. Рудаков. - М.: Транспорт, 1975

  2. Васильев А.П., Ушаков В.В. Анализ современного зарубежного опыта зимнего содержания дорог и разработка предложений по его использованию в условиях России. - М.: ФГУП «ИНФОРМАВТОДОР», 2003

  3. Berichte Bast V. Оценка опасности применения противогололедных солей: Выбороч. пер. отчета Федерального дор. ведомства Германии. - 1995. - № 21.

  4. Зимнее содержание автомобильных дорог / Г.В. Бялобжеский, А.К. Дюнин, Л.Н. Плакса и др. - М.: Транспорт, 1983.

  5. Справочник методов испытаний по оценке химических противогололедных средств. - США, 2000.

Просмотров работы: 934