XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Физика пружины

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Пургин Д.М. 1

---

1МАОУ Троицкая СОШ

Иванова С.В. 1

---

1МАОУ Троицкая СОШ

Работа в формате PDF

84.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

О, сколько нам открытий чудных

Готовит просвещенья дух

И опыт, сын ошибок трудных,

И гений, парадоксов друг,

И случай, бог изобретатель…

А.С.Пушкин

Физика (от греч. physike, physis — природа) — наука, изучающая наиболее общие свойства материального мира, а именно: существующие формы материи и ее строение (атомы, молекулы, ядра, элементарные частицы, кристаллы, жидкости и пр.), взаимодействия и движения различных форм материи (электромагнитные, гравитационные, ядерные, слабые взаимодействия и многие другие процессы). Физические законы имеют некие границы их применения, поэтому даже с помощью математики не всегда получается точно рассчитать физические явления. К примеру растяжение пружины, которая является предметом моего проекта.

На сегодняшний день существуют множество предметов, в которых присутствует пружины. Например, в мягкой мебели и мебельных петлях, и лифтах, в кнопках-застёжках, в карабинах, пружинных булавках, пружинных весах, отбойных молотках, в современных рельсовых скреплениях, в сцеплении, в механизмах часов, простых механических автоматах.

Я выбрал именно эту тему для исследования, потому что пружины изготовлены из разных материалов, одни пружины после деформации могут восстановиться, а другие нет. Поэтому необходимо провести исследования, чтобы это узнать. какая существует связь между этим.

Актуальность темы моей работы определяется тем, что в настоящее время пружина используется для компенсации размерных неточностей, износа, снятия вибраций, как накопитель энергии, для простого измерения давления, веса, усилий и ускорений; предохранения от ударов и перегрузок.

Цель проекта - изучить природу возникновения пружины и рассмотреть ее применение в окружающем мире.

Задачи проекта:

1.собрать теоретическую информацию о физики пружины из различных источников;

2.проверить экспериментально зависимость деформации тела от приложенной силы;

3.расширить кругозор и углубить свои познания в области физики;

4.сделать выводы.

Для этого составлен план исследования:

1.поиск, сбор и обобщение информации;

2.выявление законов, описывающих принцип действия пружины;

3.проведение домашнего эксперимента;

4.обработка результатов.

Объект исследования – железные и деревянные линейки.

Предмет исследования – физические явления и законы.

Методы исследования:

наблюдение;

эксперимент;

сравнение;

анализ.

1.Физические законы и пружины

Востребованность пружины кажется очень интересной. Для ее изучения сначала обратимся к истории.

Пружина может быть изготовлена из любого материала, имеющего достаточно высокие прочные и упругие свойства (сталь, пластмасса, дерево, фанера, даже картон).

История гласит, что еще ветви деревьев использовались как пружины. Более сложные пружины датируются Бронзовым веком, в 3 веке до нашей эры Грек Ктесибиус из Александрии изобрел сплав "пружинная бронза" увеличив процент олова в сплаве бронзы.

Пружина - упругий элемент машин и различных механизмов, накапливающий и отдающий, или поглощающий механическую энергию.

С точки зрения классической физики, пружину можно рассматривать как устройство, накапливающее потенциальную энергию путём изменения расстояния между атомами эластичного материала.

В теории упругости законом Гука установлено, что растяжение эластичного стержня пропорционально приложенной к нему силе, направленной вдоль его оси. В реальности этот закон выполняется не точно, а только при малых растяжениях и сжатиях. Если напряжение превышает определённый предел (предел текучести) в материале наступают необратимые нарушения его структуры, и деталь разрушается или получает необратимую деформацию.

Следует отметить, что многие реальные материалы не имеют чётко обозначенного предела текучести, и закон Гука к ним неприменим. В таком случае, для материала устанавливается условный предел текучести.

Витые металлические пружины преобразуют деформацию сжатия/растяжения пружины в деформацию кручения материала, из которого она изготовлена, и наоборот, деформацию кручения пружины в деформацию растяжения и изгиба металла, многократно усиливая коэффициент упругости за счёт увеличения длины проволоки противостоящей внешнему воздействию. Волновые пружины сжатия подобны множеству последовательно/параллельно соединённых рессор, работающих на изгиб.

2.Виды пружин

По виду воспринимаемой нагрузки:

- пружины сжатия;

- пружины растяжения;

- пружины кручения;

- пружины изгиба.

Пружины растяжения — рассчитаны на увеличение длины под нагрузкой. В ненагруженном состоянии обычно имеют сомкнувшиеся витки. На концах для закрепления пружины на конструкции имеются крючки или кольца.

Пружины сжатия — рассчитаны на уменьшение длины под нагрузкой. Витки таких пружин без нагрузки не касаются друг друга. Концевые витки поджимают к соседним и торцы пружины шлифуют. Длинные пружины сжатия, во избежание потери устойчивости, ставят на оправки или стаканы, либо используют менее габаритные волновые пружины.

У пружин растяжения-сжатия под действием постоянной по величине силы витки испытывают напряжения двух видов: изгиба и кручения.

Пружина изгиба — применяется для передачи упругих деформаций при незначительных изменениях геометрических размеров пружины или пакета пружин (рессоры, тарельчатые пружины). Они имеют разнообразную простую форму (торсионы, стопорные кольца и шайбы, упругие зажимы, элементы реле и т.п.)

Пружины кручения — могут быть двух видов:

- торсионные — стержень, работающий на кручение (имеет большую длину, чем витая пружина);

- витые пружины, работающие на кручение (как в бельевых прищепках, в мышеловках и в канцелярских дыроколах).

В приборостроении известна пружина Бурдона — трубчатая пружина в манометрах для измерения давления, играющая роль чувствительного элемента.

По конструкции:

• витые цилиндрические (винтовые);

• витые конические (амортизаторы);

• спиральные (в балансе часов);

• плоские;

• пластинчатые (например, рессоры);

• тарельчатые;

• волновые;

• торсионные;

• жидкостные;

• газовые.

Таким образом, пружина может быть изготовлена из любого материала, имеющего достаточно высокие прочностные и упругие свойства (сталь, пластмасса, дерево, фанера, даже картон).

3.Закон Гука

Закон Гука выражается так: при упругой деформации растяжения (или сжатия) удлинение тела прямо пропорционально приложенной силе.

F = kx, где F- приложенная сила, х - удлинение тела, к - коэффициент пропорциональности, называемый жёсткостью.

Закон был открыт английским физиком Робертом Гуком в 1676 году. Это был простой закон, точно выполнявшийся в широком диапазоне; ему была предназначена важная роль в физике и технике. Гук был в восторге от своего открытия, но своим коллегам он не доверял и поэтому был озабочен, как бы кто не приписал это открытие себе. В те времена публикация открытий в периодических научных журналах ещё только приходила на смену монографиям и частным письмам, поэтому всё ещё было опасно с кем - нибудь поделиться своим открытием. Сразу же кто - то мог сказать: «О, мы открыли это давным-давно!» Гук придал своему закону о растяжении пружин вид анаграммы: celllnosssttuv

Это было своеобразное патентование открытия. Он выждал два года, чтобы конкуренты могли сделать заявки о своих открытиях, связанных с пружинами, а затем дал расшифровку своей головоломки: «tensio, sicvis», или «каково удлинение, такова и сила». Гук открыл, что при растяжении пружины возрастающей силы удлинение изменяется прямо пропорционально этой силе.

С поведением материалов по закону Гука мы встречаемся во многих случаях растяжения, сжатия, скручивания, изгиба, упругой деформации любых видов. Вот несколько примеров:

а) растягивание проволоки: удлинение ~ растягивающая сила;

б) растяжение или сжатие стержня: 4 длины ~ сила;

Знание силы, возникающей при деформации, даёт неполную картину механического состояния твёрдых тел. Часто при решении задач о взаимодействии тел нужно детальное знание внутреннего состояния тел. В этих случаях закон Гука формулируется по-другому: при малых деформациях механическое напряжение прямо пропорционально относительному удлинению. Такую зависимость Роберт Гук определил в 1680 году для простейшего случая сжатия или растяжения стержня. Он записывается так:

σ = Е IεI,

где σ - механическое напряжение, Е – модуль Юнга, IεI – относительное удлинение образца.

Относительное удлинение ε = ∆ℓ / ℓ в формуле взято по модулю, так как закон Гука справедлив как для деформации растяжения, так и для деформации сжатия, когда ε< 0. Коэффициент пропорциональности Е называется модулем упругости или модулем Юнга.

Для большинства широко распространённых материалов модуль Юнга определён экспериментально: σ - напряжение - величина численно равная отношению усилия к площади поперечного сечения: σ = F ⁄ S

При сдвиге закон Гука записывается так: t=G/g, где t - касательное напряжение, g - сдвиг, G - модуль сдвига.

Закон Гука не имеет места, когда некоторые напряжения (или деформации) достигают предельных значений, характерных для каждого материала, и тело переходит в упруго-пластичное состояние. Закон Гука является главным при расчёте на прочность и деформацию конструкций и сооружений.

Закон Гука связывает понятия прочности и жёсткости. Прочность - способность предмета противостоять разрушению. Тело может деформироваться, но не беспредельно. В конце концов, оно разрушается. Для каждого материала можно указать максимальную нагрузку, которую он может выдержать. Чем больше разрушительная нагрузка, тем прочнее материал. Она зависит от качеств материала, формы изделия и вида воздействия, от способа обработки материала (термического или механического), а у сложных веществ также от их состава (сталь, стекло).

Жёсткость - способность тела или конструкции сопротивляться образованию деформации; физико-геометрическая характеристика поперечного сечения элемента конструкции. В случаях простых деформаций в пределах закона Гука жёсткость определяется численно как произведение модуля упругости Е (при растяжении, сжатии и изгибе) или G (при сдвиге и кручении) на ту или иную геометрическую характеристику поперечного сечения элемента. Понятие жёсткость широко используется при решении задач сопротивления материалов.

Закон Гука применяется как в технических и высокотехнологичных устройствах, так и в самой природе. Например, силы упругости встречаются в часовых механизмах, в амортизаторах на транспорте, в канатах, резинках и даже в человеческих костях. Принцип закона Гука лежит в основе динамометра – прибора, с помощью которого измеряют силу.

Выводы Гука легли в основу современной теории упругости. Мысль о том, что большая часть материалов и конструкций - не только детали механизмов, мосты и здания, но также и деревья, животные, горы и скалы и "все сущее" вокруг - ведет себя подобно упругим пружинам, сегодня может показаться простой и очевидной. Для Гука этот вывод потребовал долгих размышлений и многих сомнений, что следует из его дневниковых записей. Возможно, это один из самых больших прорывов мысли в истории.

Одним из важных практических применений закона Гука являются пружинные весы. Это прибор, у которого пружина и стрелка собраны в корпусе, который имеет градуированную шкалу. Эти весы имеют крюк, за который их можно повесить, и еще один крюк, на который помещается тело для взвешивания.

Применение одноосного растяжения мы видим и в музыкальных инструментах. Высота звука, издаваемого натянутой струной, зависит от силы ее натяжения. Струнные инструменты создаются путем натяжения струн из жесткого материала, стальной проволоки или сухожилий на подходящую жесткую раму, которой может служить гриф скрипки. Незначительно изменяя натяжение струны, мы меняем высоту звука. Именно поэтому такие инструменты очень чувствительны к настройке.

У древних римлян командир боевой катапульты должен был иметь хороший музыкальный слух, чтобы на слух определять, с какой силой натянуты канаты из сухожилий при подготовке к бою.

Практически все детали современной техники скрепляются между собой с помощью резьбовых соединений, принцип действия которых заключается в том, что при затяжке шпилек, болтов и винтов они упруго деформируются и надежно фиксируют детали, прижимая их друг к другу. Наглядным примером могут служить болты крепления колес автомобиля. Они не имеют фиксирующих гаек с обратной стороны, а надежно крепят колесо за счет упругой деформации стержня болта и силы трения.

Упругие деформации играют важнейшую роль в технике: расчет на прочность авиалайнеров, подводных лодок, танкеров, мостов, туннелей, космических ракет – это, в первую очередь, научный анализ малых упругих деформаций, возникающих в перечисленных объектах под действием эксплуатационных нагрузок.

Все эти расчеты до сих пор базируются на законе, открытом Робертом Гуком.

4. Практическая часть

Изучая закон Гука для упругих деформаций, встретился с коэффициентом жесткости, который зависит от материала и геометрических размеров образца. Но какая существует зависимость? В какой степени эти факторы влияют на деформацию, в частности на деформацию пружины? Что значит, закон выполняется в «пределах упругих деформаций»? Каков этот предел? Одинаков ли он для всех материалов? Что служит критерием предела?

Ответы на эти вопросы я и хотел найти, изучив теорию и выполнив эксперимент. Заодно и выяснить, насколько хорошо согласуются теория и практика.

Для работы подготовил оборудование:

1) две разных линеек из стали;

2) две деревянных линейки

3) измерительные инструменты.

Проведение опытов:

1) закреплял пружину и линейки;

2) подвешивал и ставил грузики разной массы; измерял деформацию;

3) проводил опыт с линейками другого размера;

4) аналогичные опыты провел со стальными линейками.

Результаты, полученные из опытов, заносил в таблицы и проводил анализ результатов.

Обработка результатов: по результатам определял зависимость деформаций от различных факторов.

Опыты.

Для проведения опытов мне понадобился штатив, в который я закреплял образцы, а в первой серия опытов с деревянными линейками разных размеров, а вторая серия опытов с железными линейками.

Опыт №1. Растяжение пружины

Таблица 1.

Проведя анализ результатов, я сделал вывод: Чем больше сила, тем больше растяжение пружины.

Опыт №2 Нахождение жесткости пружины

Таблица 2.

Жесткость пружины 2500Н/м

Опыт № 3

Зависимость прогиба деревянных линеек длиной 20см(1линейка) и длиной 30см. (2 линейка).

Таблица 3.

Вывод: Чем больше длина линейки, тем больше прогиб образца.

Опыт №4

Зависимость прогиба железных линеек разной длины (1 линейка- длина 5см, а вторая линейка – длина 30см).

Таблица 4.

Вывод: Чем больше длина линейки, тем меньше прогиб.

Выводы:

1) существует зависимость деформаций от геометрических размеров, но длина и толщина образца влияют в большей степени при изгибе, чем ширина;

2) деформации зависят от материала образцов;

3) существует предел упругих деформаций;

4) наблюдается остаточная деформация у всех образцов, но в разной степени.

При измерениях у меня получилась погрешность из-за того, что я не учитывал:

1. вес самих образцов;

2. маленькую остаточную деформацию при проведении повторных
   опытов.

3. Заключение

Проведённая работа мне очень понравилась, потому что во время неё я узнал много нового. Тема деформации пружины рассматривается на уроках физики в-седьмых и десятых классах. Во время исследования я смог изучить эту тему более широко. Интересен был процесс исследования и достаточно труден процесс измерения: например, надо было подумать, как установить лучше прибор, и как сделать так, чтобы измерения были точнее. Результаты получились неожиданными; измерения получились верные, но не очень точные, хотя они сопоставимы с теоретическими данными.

При выполнении этой исследовательской работы о деформации пружины я узнал много нового, заинтересовался изучением физики и лучше стал в ней разбираться. Эта работа доступна людям всех возрастов, ведь для объяснения работы, которые я предоставил достаточно знаний школьного курса физики.

С точки зрения классической физики, пружину можно рассматривать как устройство, накапливающее потенциальную энергию путём изменения расстояния между атомами эластичного материала. В теории упругости законом Гука установлено, что растяжение эластичного стержня пропорционально приложенной к нему силе, направленной вдоль его оси. В реальности этот закон выполняется не точно, а только при малых растяжениях и сжатиях. Если напряжение превышает определённый предел (предел текучести) в материале наступают необратимые нарушения его структуры, и деталь разрушается или получает необратимую деформацию.

Я думаю, что такие исследовательские работы нужны в процессе изучения любого предмета, так как во время их проведения уменьшается разрыв между предметом и учеником. Это помогает лучше понять предмет и подавляет страх перед ним.

Список использованной литературы

1. Гладкова Р.А. «Физико-математическая литература». Москва: «Наука», 1988 год.

2. Дмитриева В.Ф. «Физика». Москва: «Академия», 2003 год.

3. Зубов В.Г. «Механика». Москва: «Наука», 1978 год.

4. Кикоин И.К., Кикоин А.К. «Физика». Москва: «Просвещение», 1990 год. Ландсберг Г. С. «Элементарный учебник физики. Том 1.»

5. Москва: «Наука», 1985 год.

6. Роджерс Э. «Физика для любознательных. Том 1.» Москва: «Мир», 1969 год.

7. Шубин А.С. «Курс общей физики». Москва: «Высшая школа», 1976 год.