XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Дерево для плота и не только…

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ильиных Д.В. 1

---

1МАОУ «СОШ №137 г. Челябинска»

Коренкова А.А. 1

---

1МАОУ «СОШ №137 г. Челябинска»

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В детстве нам часто хочется отправиться в путешествие, подражая отважным исследователям Тихого океана под руководством норвежского археолога Тура Хейердала. А вы знаете, из какого дерева был построен его плот?

Экспедиция Тура Хейердала отправилась пересекать Тихий океан на обыкновенном деревянном плоту, сделанном из бальсового дерева, растущего в Южной Америке.

Актуальность. Данная работа позволит нам изучить свойства деревьев, произрастающих в лесопарковой зоне нашего города, и оценить возможность постройки надежного плавсредства. При выполнении работы нужно будет проводить измерения массы и объема, вычислять плотность твердого тела и некоторые характеристики физических тел. В процессе работы будем учиться анализировать изменения физических свойств древесины при ее погружении в воду, а также оценивать какой груз можно взять с собой в путешествие на плоту.

Цель: определение физических свойств древесины при её использовании во влажной среде.

Задачи

1. Закрепить умение проводить измерения физических величин: массу и объем твердого тела, рассчитывать плотность твердого тела.

2. Научиться вычислять одну из физических характеристик дерева: влагопоглощение.

3. Научиться определять относительную грузоподъемность плота.

4. Научиться анализировать полученные результаты, строить графики зависимости физических величин.

Гипотеза: плот лучше сделать из более плотного дерева, которое обладает малой способностью впитывать влагу.

Объект исследования: древесные фрагменты.

Предмет исследования: свойства древесины во влажной среде.

Обоснование

• Можно собрать данные о древесных породах.

Методы исследования:

- Теоретический метод (анализ, синтез, обобщение).

- Эмпирический метод (проведение опытов).

Практическое значение: результаты работы можно использовать для внеклассной работы и на уроках физики.

Основная часть

1. Теория вопроса

1.1 Плот. Историческая справка

Плот является первым судном в истории мореплавания. Именно он стал прародителем всех остальных плавательных средств — от лодки до трансатлантического лайнера.

Появление плота имело место примерно 25 тыс. лет тому назад. Первые люди, наблюдая за тем, как животные спасаются от наводнений, забираясь на плывущие бревна и деревья, в итоге сообразили, что подобным образом можно сплавляться самому. Люди научились связывать между собой стволы деревьев, и так появилось первое в истории судно, позволившее покорить водную стихию. Без этого изобретения развитие цивилизации было бы невозможно.

Плоты первоначально использовались для передвижения по воде и перевозки клади. Впоследствии их стали применять для туристических путешествий.

1.2 Характеристики плота

Самым важным параметром плота выступает его непотопляемость. В отличие от остальных плавательных средств в случае попадания воды на палубу плот не тонет, поскольку материал его изготовления легче воды. Именно эта особенность позволила использовать его для спасения людей.

Другими важными характеристиками являются:

• Управляемость. Обычно плот используется для сплава по течению реки. Однако при помощи весел и усилий гребцов он может двигаться и поперек течения.

• Устойчивость на курсе. Судно способно поддерживать траекторию своего движения и противостоять факторам извне, старающимся развернуть его.

• Остойчивость — это способность плота противостоять крену [1].

1.3 Плот Тура Хейердала

Именно в таком качестве вошел в историю плот под названием Кон-Тики, на котором норвежец Тур Хейердал с командой преодолел Тихий океан и пристал к Полинезийским островам. Путешественники использовали конструкцию плота, которую использовали индейцы Южной Америки, дошла до нас в довольно подробных описаниях конкистадоров.

В основании «Кон – Тики» было девять крупных бревен, из бальзы, уложенных вдоль. Её древесина очень мягкая и лёгкая, напоминающая пробковое дерево. На эту основу поперёк укладывали более тонкие бревна, затем настилали палубу из стволов бамбука. Поверх всего укладывали циновки. Такое судно не могло зачерпнуть воду – она просто выливалась. Посередине плота была установлена треугольная мачта с квадратным парусом. А позади неё находилась «каюта» – по сути, хижина из того же бамбука. Длина плота составила 13,5 метра, ширина – 5,5 метра. Во время путешествия Тур Хейердал и его команда встретилась со множеством трудностей, одной из которых стала проблема пугающе активного впитывания бальзовым деревом воды [2].

1.4 Изготовление плота

Деревянный плот изготовляют из сухой, звонкой древесины: ели или сосны. Сухостой с прелой древесиной употреблять нельзя: дерево быстро намокает и плот «тонет». Чтобы определить удельный вес, с торца дерева отпиливают чурбак длиной 10 см и опускают плашмя в воду. Если отпиленный круг погрузился не глубже чем на 5-6 см, дерево можно использовать для постройки плота. Максимальный диаметр бревен не должен превышать 25-30, минимальный - 10 см.

Для лучшей остойчивости плота тонкие лесины помещают в середину, а толстые - по бортам. Если заготовленные бревна имеют кривизну, их устанавливают горбом вниз.

Зазоры между бревнами става должны быть не менее 2-4 см, иначе плот будет обладать пониженной остойчивостью и медленной всплываемостью [3].

1.5 Влагопоглощение древесины

Отношение массы воды, содержащейся в древесине, к массе сухой древесины является физическим показателем влажности древесины. Вода, содержащаяся в древесине, различается по двум типам — связанная, находящаяся в клеточных стенках и свободная, находящаяся в полостях клеток и межклеточных пространствах. Свободная вода удаляется легче, чем связанная. Показатель нормализованной влажности составляет 12%.

Фото 3. Поры древесины Фото 4. Общие сведения

При повышении в древесине связанной воды происходит изменение объема и линейных размеров, которое происходит при нахождении древесины в воде или на влажном воздухе. Поперек волокон древесина разбухает больше, чем вдоль волокон. Разбухание, в целом, отрицательное свойство, но полезно для обеспечения плотности соединений элементов, например в бочках, судах. Древесина способна увеличивать свою естественную влажность при непосредственном контакте с водой. Количество свободной воды зависит от объема полостей. Чем больше плотность древесины, тем меньше ее влажность и тем больше у нее водопоглощение.

2. Практическая часть

1) Для изучения были взяты ветки пяти пород дерева. Каждую ветку нарезали на одинаковые фрагменты.

Таблица 1. Экспериментальные образцы древесины

2) Изготовили плот из древесного фрагмента.

3) Произвели измерение массы плота из свежесрубленного древесного фрагмента (m₁) на рычажных весах с точностью до 0,2г.

Таблица 2. Измерение массы плота из свежесрубленного древесного фрагмента

4) Произвели измерение массы плота из сухого древесного фрагмента (m₁) на рычажных весах с точностью до 0,2г.

5) Хранили древесные фрагменты в классной комнате при температуре 25° С в течение двух дней. Затем рассчитали массу сухих древесных фрагментов.

Таблица 3. Измерение массы плота из сухого древесного фрагмента

6) Погрузили древесные фрагменты в воду на 24 часа.

Фото 5. Начальное погружение

Фото 6. Результат погружения

7) Произвели измерение массы плота влажного древесного фрагмента (m₃) на рычажных весах с точностью до 0,2г.

Таблица 4. Измерение массы плота из влажного древесного фрагмента

Диаграмма 1. Изменение массы образцов древесины

8) Провели сравнение массы плота из свежесрубленных фрагментов древесины:

Диаграмма 2. Сравнение массы плота из свежесрубленных фрагментов древесины

9) Провели сравнение массы плота из сухих фрагментов древесины:

Диаграмма 3. Сравнение массы плота из сухих фрагментов древесины

10) Провели сравнение массы плота из влажных древесных фрагментов:

Диаграмма 4. Сравнение массы плота из влажных фрагментов древесины

Вывод:самая большая масса у яблони, а маленькая – у клёна. Причём, это соотношение массы в разных состояниях от свежесрубленного до влажного, сохраняется.

11) Сделали измерение объема (V₁) плота из свежесрубленного древесного фрагмента, погрузив его в мерный стакан с водой (принудительно погрузив фрагмент полностью с помощью тонкой палочки), с точностью до 1 см³

Таблица 5. Измерение объема плота из свежесрубленного древесного фрагмента

12) Сделали измерение объема (V₂) плота из сухого древесного фрагмента

Таблица 6. Измерение объема плота из сухого древесного фрагмента

13) Сделали измерение объема (V₃) плота из влажного древесного фрагмента

Таблица 7. Измерение объема плота из влажного древесного фрагмента

14) Провели сравнение объёма древесных фрагментов:

Вывод: объёмы древесных фрагментов в сухом виде почти одинаковые, а в свежесрубленном и влажном - отличаются.

15) Вычисляем плотность свежесрубленного древесного фрагмента по формуле.

Таблица 8. Расчёт плотности свежесрубленного древесного фрагмента

Таблица 9. Расчёт плотности сухого древесного фрагмента

Таблица 10. Расчёт плотности влажного древесного фрагмента

16) Провели сравнение плотностей древесных фрагментов:

Вывод: плотность древесных фрагментов во время исследования менялась, причём, по-разному. Вероятно, это связано с различным внутренним строением древесины: разные по форме и площади поры, а значит и разное поверхностное натяжение воды. И, как следствие, наполняемость этих пор разная.

Для оценки качества сырья основным показателем плотности является базисная плотность. Базисная плотность выражается отношением массы абсолютно сухого образца к его объему при влажности [5].

Таблица 11. Расчёт базисной плотности древесного фрагмента

По плотности древесины все породы делят на три группы:

малой плотности (540 кг/м³ и меньше) — ель, сосна, тополь, бальза, пихта, кедр, можжевельник, осина, ива, липа, ольха, каштан;

средней плотности (540 - 740 кг/м³) — лиственница, берёза, бук, клён, ясень, орех грецкий, рябина, яблоня, груша, вяз, лещина;

высокой плотности (750 кг/м³ и более) — акация, граб, берёза, дуб, ясень, самшит, фисташка [4].

Вывод: расчётные данные по базисной плотности показали её соответствие с табличными данными.

17) Вычисляем коэффициент влагопоглощения (в %) древесного фрагмента по формуле:

Таблица 12. Коэффициент влагопоглощения древесины

Вывод: самый большой коэффициент влагопоглощения у яблони, а самый маленький – у клёна.

18) Вычисляем грузоподъемность M влажного древесного фрагмента, исходя из максимального условия равновесия тела, погруженного в воду.

где F₁ - cила тяжести, действующая на плот, F₂ - сила тяжести, действующая на груз, F₃ - выталкивающая сила, действующая на погруженный в воду плот, плотность воды - 1г/см³

F₁ = Mg F₂ = m₂g F₃ = _ЖgV

Mg + m₂g = _ЖgV

g(M + m₂) = _ЖgV

M + m₂ = _ЖV

M = _ЖV - m₂

19) Вычисляем относительную грузоподъемность плота (какое количество груза относительно массы влажного плота можно взять с собой) в процентах

Вывод: такие виды древесины как: яблоня, клён и сосна вполне могу подойти для изготовления плота, а вот рябину и берёзу ни в коем случае использовать нельзя.

Заключение

В процессе изучения вопроса исследовательской работы было выяснено, что древесина является одним из самых распространенных и при этом востребованных видов строительного и отделочного материала. Но при этом дерево является и самым капризным в плане воздействия на него влагой.

Влажность древесины является негативным фактором, который может оказать неблагоприятное влияние на строительство. Древесина, являясь пористым материалом, легко впитывает воду и точно также легко избавляется из нее, то расширяясь, то сужаясь в размерах. При повышении уровня содержания влажности древесина увеличивается в размерах по ширине значительно и по длине в меньшей степени.

Цель работы поопределению физических свойств древесины при её использовании во влажной среде достигнута через измерения физических величин: массы и объема твердого тела; расчёт плотности твердого тела; вычисление влагопоглощения и определение относительной грузоподъемности плота.

Предположение о том, что плот лучше сделать из более плотного дерева, которое обладает малой способностью впитывать влагу, не подтвердилась. Оказалось, что свойства древесины зависят не только от плотности, но и влажности среды, гигроскопичности.

Знания о влагопоглощении древесины разной породы можно использовать не только для строительства плота, но и для понимания в целом свойств древесины и применения этих знаний на практике. Например, начинающему столяру, мебельщику, плотнику, мастеру резьбы или росписи по дереву, мастеру по изготовлению музыкальных инструментов. 

Описание электронного ресурса

1. dlia-sporta.ru›glavnaia/oborudovanie/plot/

2.https://dzen.ru/media/rgo/vsled-za-solncem-75-let-nazad-nachalas-ekspediciia-tura-heierdala

3. after-living.livejournal.com›19468.html

4. https://krovli.club/buildm/plotnost-drevesiny

5. drevologia.ru› Строение и состав древесины