XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

2. Инновационный способ определения «пробы» ювелирных изделий из драгоценных металлов.

Известен весовой способ определения количества золота в изделии - способ предложенный Архимедом при определении количества чистого золота в царской короне путем взвешивания короны в воздухе и определении объема сплава, из которого изготовлена сама корона, методом взвешивания вытесненной изделием жидкости[2], ( Перышкин А.В. Учебник по физике за 7 класс. Издание: 2-е изд.- М.: Дрофа, 2013г, стр.144—150, Архимедова сила). Указанный способ наиболее близкий к заявленному нами техническому решению, однако, он имеет серьезные недостатки. К недостаткам его относится высокая трудоемкость и низкая точность полученных результатов. Особенно сложно применить указанный способ для определения «ПРОБЫ» благородных металлов ювелирных изделий, вес и объём которых очень мал. Погрешности в этих измерениях будут очень велики, а результаты определения «ПРОБЫ» недостоверны. Задачей, на решение которой направлена данная работа, является повышение точности определения содержания золота (благородных металлов) в ювелирных изделиях, снижение трудоемкости и исключение использования дорогостоящего оборудования при определении «пробы».

Технический результат достигается тем, что на весах, рис.1, рис.2, прямым способом, с высокой точностью и малой трудоёмкостью измеряется и вес, и объем исследуемого сплава металла ювелирного изделия. Далее, простым делением веса изделия на его объём (q=G/V,г/см³) вычисляется удельный вес сплава изделия и по таблице находится или автоматически на дисплей весов выводится и выдается голосовая информация о «ПРОБЕ». Теоретические предпосылки появления инновационного способа определения «пробы» ювелирных изделий из драгоценных металлов заключаются в следующем:

Если исследуемое изделие погружено на тонкой нити в жидкость без касания стенок и дна сосуда, рис. 1, то уравнение действующих сил будет:

Gж + G – Рн – Р_А + R_А– Rвес = 0; (1)

Учитывая, что при замерах величины Р_А включается режим для весов «без учета веса тары» и Gж = Rвес (весы обнуляются), уравнение запишется следующим образом [3; 4; 5] :

G + R_А = Рн + РА; где: RА = Рн + Р_А – G ; (2)

Если изделие, рис. 2, лежит на дне сосуда ( Рн = 0 ), то возникает реакция дна RG от прямого контакта тела ( изделия) с дном сосуда и уравнение равновесия тогда будет[5; 6; 7];

G + R_А = R_G + Р_А ; (3)

Или: R_G = G + (R_А – Р_А) = G; где: R_А – Р_А = 0;

Это объясняется тем, что на тело, лежащее на дне сосуда с жидкостью, на дне любого водоема, всегда действует выталкивающая сила жидкости (сила Архимеда) Р_А, приложенная к центру тяжести тела (центру давления) и направленная вертикально вверх, а также, всегда действует реакция силы Архимеда R_А, приложенная к центру тяжести тела (центру давления), но направленная вертикально вниз и равная по модулю величине силы Архимеда Р_А. По полученным данным определяется удельный вес сплава q, из которого изготовлено ювелирное изделие и из диаграммы, рис.6.(приложение) находится «проба», например:

q = G/ V, г/см³,

Рис.1. Схема сил, действующих на тело (изделие) погруженное на тонкой нити в сосуд с жидкостью без касания стенок и дна сосуда, установленного на чаше весов.

Рис.2. Схема сил действующих на ювелирное изделие, лежащее на дне сосуда с жидкостью, установленного на чаше весов.

По полученным данным определяется удельный вес сплава q, из которого изготовлено ювелирное изделие и из графика, рис. 6, находится «проба», например:

q = G/ V, г/см³, (4)

Если желтый сплав цепочки (рис.3, рис. 4, рис. 5) имеет: G = 3.12 г;

V= 1.27 см³, то q = G/ V,г/см³ = 2.457 г/см³, что указывает на изготовление исследуемой цепочки из дешевого алюминиевого сплава с напылением под золото.

Если G = 5,03г.; V= 0,724 г., то q =6,9476 г/см³, что соответствует изделию, выполненному из цинкового сплава. Если же расчетный удельный вес исследуемого изделия будет ближе к величине q =10 г/см³, то изделие выполнено из сплавов серебра, а если q =19, 9 г/см³ и более, изделие изготовлено из сплавов платины и т.д. Таким образом, используя предложенное устройство и пользуясь разработанной авторами диаграммой, рис.6., можно легко определить, из сплава какого металла выполнено изделие, и какое количество БМ в сплаве, причем для более точного определения «пробы» необходимы более подробные сведения о лигатуре в сплавах для каждой «пробы». Для более точного определения «пробы» золота, платины или серебра, выполняется аналогичная диаграмма для каждого из этих металлов отдельно в большем масштабе. На диаграмме выделяются зоны q_мин и q_мах для каждой пробы согласно минимального и максимального удельного веса лигатуры в пробе. При проведении исследований изделия на « пробы» достаточно определить удельный вес сплава изделия q и знать, какой зоне на диаграмме он соответствует. Возможно, использовать автоматизированное вычисление по заданному алгоритму удельного веса сплава изделия и по диаграмме находить или автоматически на дисплей весов выводить, или голосом сообщать информацию о « пробе»..

3. Экспериментальные исследования

Технический результат реализуется с помощью устройства, рис.1, рис.2 , включающего весы с дисплеем 1 и чашей весов 2, сосуд с дистиллированной водой 3, установленный на чаше весов, и исследуемое изделие 4, подвешенное на тонкой нити. Сосудом может служить любой прозрачный, легкий (пластиковый) стаканчик емкостью 50…200 см³ в зависимости от размеров исследуемого изделия, рис.1, рис.2., где: G - вес исследуемого сплава металлов ювелирного изделия ; Pн - сила натяжения нити; Gж - вес сосуда с дистиллированной водой; Р_А- сила Архимеда; R_А - реакция силы Архимеда; Rвес - реакция чаши весов на вес установленного сосуда с дистиллированной водой.

Рис. 3. Измерение веса сосуда Gж с дистиллированной водой на чаше весов перед определением «пробы» благородных металлов (после этого весы обнуляются).

Примечание: допускается использовать пресную холодную воду из крана водопровода, если не требуется особо высокая точность оценки «пробы» изделия.

Рис. 4. Определение объёма сплава изделия (исследуемой цепочки) путём полного погружения её на тонкой нити в воду стакана без касания стенок и и дна стакана (V=1.27см³).

Опреде6ление пробы изделия происходит следующим образом: Подбираются весы с дисплеем и заданной (необходимой) точностью измерений (цена деления весов от 0,01г. до 0,00001г., весы аналитические, технические и другие), рис. 3. Затем выполняются действия в такой последовательности:

1. Наполняется сосуд необходимым количеством дистиллированной воды, устанавливается на чашу весов, и весы обнуляются (положение «без учета веса тары»);

2. Обезжиренное спиртом изделие (золотое кольцо, цепочка и т. д. ) закрепляется на конце тонкой нити и погружается в сосуд с водой так, чтобы изделие не касалось ни дна, ни стенок сосуда, находясь полностью в жидкости в подвешенном состоянии, рис. 4. После стабилизации показаний весов, производится их запись, чем с большой точностью фиксируется величина реакции силы Архимеда R_А равная по модулю величине выталкивающей силы жидкости Р_Ав граммах и равная численно величине объема Vсплава исследуемого изделия в сантиметрах кубических, так как удельный вес дистиллированной воды составляет ровно один г/см³;

3. Далее отпускается удерживаемая в руках тонкая нить с прикрепленным к ней исследуемым изделием до тех пор, пока оно полностью не ляжет на дно (нить ослаблена полностью, Рн = 0), рис. 5;

4. Через одну - две секунды, когда показания весов стабилизируются, делается запись показаний весов, что точно соответствует весу Gисследуемого сплава изделия в граммах (см. формулу 3)

5. По заданному алгоритму q=G/V,г/см³ вычисляется удельный вес сплава изделия и, согласно разработанной авторами диаграмме находится или автоматически на дисплей весов выводится и выдается голосовая информация о «ПРОБЕ» изделия, рис.6(приложение).

Рис.5. Определение чистого веса сплава цепочки (G=3.12г.). Тело лежит на дне.

Если желтый сплав цепочки (рис.3, рис. 4, рис. 5) имеет: G= 3.12 г; V= 1.27 см³., то: q = G/ V, г/см³ = 2.457 г/см³, что указывает на изготовление исследуемой цепочки из дешевого алюминиевого сплава с напылением под золото. Если G = 5,03г; V = 0,724г., то q = 6,9476 г/см³, что соответствует изделию, выполненному из цинкового сплава. Если же расчетный удельный вес исследуемого изделия будет ближе к величине q =10 г/см³, то изделие выполнено из сплавов серебра, а если q =19, 9 г/см³ и более, изделие изготовлено из сплавов платины и т.д. Таким образом, используя предложенное устройство и пользуясь разработанной авторами диаграммой, рис.6.(приложение), можно легко определить, из сплава какого металла выполнено изделие, и какое количество БМ в сплаве, причем для более точного определения «проб» необходимы более подробные сведения о лигатуре в сплавах для каждой «пробы». Для более точного определения «пробы» золота, платины или серебра, выполняется аналогичная диаграмма для каждого из этих металлов отдельно в большем масштабе. На диаграмме выделяются зоны q_мин и q_мах для каждой «пробы» согласно минимального и максимального удельного веса лигатуры в «пробе». При проведении исследований изделия на «пробы» достаточно определить удельный вес сплава изделия q и знать, какой зоне на диаграмме он соответствует. Возможно, использовать автоматизированное вычисление по заданному алгоритму удельного веса сплава изделия и по диаграмме находить или автоматически на дисплей весов выводить, или голосом сообщать информацию о «пробе»[1].

Выводы:

Полученные результаты исследований данной работы могут быть применены в учебном процессе школ на уроках физики, в лабораторном практикуме студентов специальности «Товароведение», в ломбардах при оценке качества ювелирных изделий. Особенно важно то, что предложенным способом проверки «пробы» ювелирных изделий из драгоценных металлов воспользуются и простые люди, не имеющие больших финансовых средств на оплату услуг специалистов ломбардов, которые сами в домашних условиях смогут оценить качество приобретённого ими ювелирного изделия. Заметен большой интерес к разработанному нами способу проверки «пробы» ювелирных изделий.

Уже сняты многие видеоролики в интернете, например, демонстрационный видеоролик Московского ломбарда. Достаточно набрать «гидростатический способ определения пробы золота» и можно посмотреть в любой поисковой системе эти видео. Отсюда можно сделать выводы, что разработанный авторами данной научной работы и описанный выше способ определения «пробы» драгоценных металлов в ювелирных изделиях востребован в обществе.

.

Библиографический список:

1. Осипов Н.Е., Осипов А.Н., Тимохин А.А. Осипов М.А., Тимохина И.Н. Способ и устройство определения пробы благородных металлов, М.: ФИПС, заявка на патент. Бюл. № 2, 2018г.

2. Перышкин А.В. Учебник по физике за 7 класс. Издание: 2-е изд.- М.: Дрофа, 2013г, стр.144—150, (Архимедова сила).

3. Осипов Н.Е., Тимохина И.Н., Осипов А.Н: Вновь открытая сила и новая формулировка закона Архимеда. Сборник статей X Международной научно-практической конференции. В 2ч. Ч. 1–Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение», 2018.

4. Тимохин А.А., Осипов М.А. Инновационный подход к определению выталкивающей силы Архимеда.Материалы ХХ Международной конференции научно – технических работ школьников «Старт в науку» - МФТИ, Москва, 2018.

5. Осипов Н.Е., Тимохина И.Н., Осипов А.Н.:О действии силы Архимеда на тело, плотно прижатое ко дну сосуда (водоёма). Материалы X международной научно-практической конференции - Фундаментальные и прикладные научные исследования, Пенза, 2018.

6. Осипов Н.Е., Осипов А.Н., Тимохина И.Н. Архимеда сила – инновации в определении величины и точности её измерения. Сборник статей Международной научно - практической конференции «Инновационное развитие: Потенциал науки и современного образования», МЦНС «Наука и Просвещение». Пенза, 2018.

7. . Тимохин А.А., Осипов М.А. Инновационный весовой способ и устройство для измерения объёма тел любой формы и размеров.L Международная научно-практическая конференция:Фундаментальные и прикладные научные исследования,МЦНС «Наука и Просвещение», Пенза, 2021.

8.Осипов Н.Е. Универсальный прецизионный плотномер жидких сред: Сборник научных статей десятой международной научной конференции «Передовые инновационные разработки. Перспективы и опыт использования проблемы внедрения в производство», ПАО ГАЗПРОМ, Казань, 2019.

9. Осипов Н.Е., Осипов А.Н., Тимохин А.А. Осипов М.А., Тимохина И.Н.Способ измерения выталкивающей силы Архимеда, заявка на изобретение №: 2016126531 от 04.07.2016, ФИПС, 15.01.2018 , Бюл № 2

Приложение

Рис.6. Диаграмма «пробы» золота.