Самодельный плот

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

Личный портфель

Самодельный плот

Даршт А.Р. 1
1МАОУ "Лицей №97 г.Челябинска"
Туржанова Н.С. 1
1МАОУ «Лицей № 97 г. Челябинска»
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
  • Введение

Мне очень нравится проводить время с семьей, особенно ходить в походы и сплавляться по рекам. Этим летом мы с родителями участвовали в сплаве на сапах. Слово «сап» происходит от аббревиатуры на английском языке SUP, stand up paddle, что означает «гребля стоя». Плавание на сапборде называется сапбордингом или сапсерфингом.

Сапбординг считается доступным видом спорта, освоить который может и профессиональный спортсмен, и новичок. Сапборд подойдет для рек, озер и даже морей. Направление актуальное, как для детей, так и для взрослых, ведь летом 2022 года участие в сплавах на сапах по реке Ай принимали 17 человек, а уже летом 2023 года – 29 человек. Есть два основных типа досок для сапсерфинга: жесткие из дерева или полимерных материалов и надувные. Стоимость нового сапа в городе Челябинске начинается от 9999 руб., что достаточно затратно. У нашей семьи один «сап», и как уже написано выше, не сложно встать и освоить, сложно дождаться своей очереди.

И тут у меня возник вопрос: можно ли создать из подручных материалов судно, подобное сапборду? Ответив на этот вопрос, можно будет помочь многим взрослым и детям в развлечениях летом с экономией бюджета.

Гипотеза: можно построить судно, пригодное для перевозки человека и/или груза, из подручных материалов.

Цель: соорудить судно из подручных материалов

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

  1. Изучить литературу по данной теме, проанализировать информацию о том, что обеспечивает плавучесть судна.

  2. Рассчитать необходимое количество материалов для построения судна.

  3. Оформить результаты исследования в виде расчетных формул.

Методы: поиск и изучение литературы; наблюдение; эксперимент; оценка результатов проведенных опытов.

Практическая значимость: результаты исследования могут быть использованы при организации походов и отдыха для детей и взрослых, на уроках окружающего мира и физики.

Архимедова сила

1.1 Закон Архимеда

Архимед – самый выдающийся ученый Древней Греции. Он стоит в одном ряду с Ньютоном и другими величайшими математиками всех времен. Его работы многогранны. Они касались математики, физики, гидростатики, механики. Ему принадлежат фундаментальные теоремы о центре тяжести плоских фигур и объемных тел, а также теорема о весе тела, погруженного в жидкость (закон Архимеда).

По преданию, царь Гиерон поручил Архимеду проверить, из чистого ли золота сделана его корона или же ювелир присвоил часть золота, сплавив его с серебром. Архимед предположил, что вес вытесненной воды был равен весу его тела, и оказался прав. Явившись к царю, он попросил принести золотой слиток, равный по весу короне, и опустить оба предмета в наполненные до краёв резервуары с водой. Корона вытеснила больше воды, чем слиток. При одной и той же массе объём короны оказался больше, чем объём слитка, а значит, она обладала меньшей плотностью, чем золото. Выходит, царь правильно подозревал своего ювелира.

Так был открыт принцип, который теперь мы называем законом Архимеда: на тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объёме погружённой части тела.

На любой объект, погруженный в воду, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной им жидкости. Таким образом, вес объекта, погружённого в воду, будет отличаться от его веса в воздухе в меньшую сторону. Купаясь в речке или в море, можно легко поднимать и передвигать по дну очень тяжелые камни – такие, которые не удается поднять на суше. В то же время легкие тела сопротивляются погружению в воду: чтобы утопить мяч размером с небольшой арбуз требуется и сила, и ловкость.

Корпус корабля заполнен воздухом, поэтому общая плотность судна оказывается меньше плотности воды, и сила Архимеда выталкивает его на поверхность. Но если корабль получит пробоину и пространство внутри заполнится водой, то общая плотность судна увеличится, и оно утонет. 

В подводных лодках существуют специальные резервуары, заполняемые водой или сжатым воздухом в зависимости от того, нужно ли уйти на глубину или подняться ближе к поверхности. Тот же самый принцип используют рыбы, наполняя воздухом специальный орган – плавательный пузырь. 

1.2 Примеры проявления закона Архимеда в природе

В Средиземном море, у берегов Египта, водится удивительная рыба фагак (рис. 1). Приближение опасности заставляет фагака быстро заглатывать воду. При этом в пищеводе рыбы происходит бурное разложение продуктов питания с выделением значительного количества газов. Газы заполняют не только действующую полость пищевода, но и имеющийся при ней слепой вырост. В результате тело фагака сильно раздувается, и, в соответствии с законом Архимеда, он быстро всплывает на поверхность водоема. Здесь он плавает, повиснув вверх брюхом, пока выделившиеся в его организме газы не улетучатся. После этого сила тяжести опускает его на дно водоема, где он укрывается среди придонных водорослей.

Рис.1 Тетраодон фахака (фагак)

Произрастающий в дельте Волги вблизи Астрахани чилим, или водяной орех (рис. 2), после цветения дает под водой тяжелые плоды. Эти плоды настолько тяжелы, что вполне могут увлечь на дно все растение. Однако в это время у чилима, растущего в глубокой воде, на черешках листьев возникают вздутия, придающие ему необходимую подъемную силу, и он не тонет.

Рис. 2 Чилим, водяной орех, рогульник (водяной каштан)

Известный русский адмирал М.П. Лазарев неоднократно показывал матросам во время плаваний следующий любопытный опыт с бутылкой. С помощью свинцового груза порожнюю закупоренную бутылку матросы опускали под воду на глубину до 430 м. После ее подъема на палубу они с удивлением убеждались, что бутылка заполнена глубинной водой и плотно закрыта пробкой, причем верх и низ пробки поменялись местами. Это происходило за счет давления воды, которое, в соответствии с законами гидродинамики, на глубине 430 м имеет вполне достаточную для этого величину. Опыт Лазарева представляет собой яркую демонстрацию действия давления воды на больших глубинах. Это позволяет искусно использовать закон Архимеда подводникам. Если подводная лодка плывет между слоями воды с разной температурой, ее балласт подбирают таким образом, чтобы обеспечить небольшую перегрузку для теплого слоя и недогрузку для холодного. В этом случае лодка лежит на холодном слое, не нуждаясь в специальных мерах для поддержания равновесия. Для батискафа с небольшой отрицательной плавучестью слой более плотной воды может играть роль уравновешивающего «жидкого грунта».

При переходе подводной лодки из морских глубин в устье реки, подводники тщательно следят за расстоянием между лодкой и дном, так как в пресной воде выталкивающая сила Архимеда меньше, чем в морской, и при недосмотре со стороны экипажа лодка может сесть на илистый грунт речного устья.

1.3 Закон Архимеда

Закон Архимеда – на тело, погруженное целиком или частично в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, взятой в объеме тела (или погруженной его части).

где FA – сила Архимеда;
ρ – плотность жидкости или газа, в которое погружают тело;
g – ускорение свободного падения, которое зависит от того, на какой планете или путнике мы находимся. Для поверхности Земли, например, ускорение примерно равно 9,8 м/с2;
V – объем погруженной в среду части тела.

1.4 Практическая часть

Задумываясь о речном походе или сплаве, мы с родителями выбирали разные способы передвижения по воде: плот, катамаран, сапборд. Мне хотелось создать такое плавучее средство, которое было бы необычным, достаточно простым в монтаже, дешевым и сделанным самостоятельно.

В результате моих размышлений появился на свет плот из пластиковых бутылок. Почему я выбрала пластиковые бутылки? Это самый доступный материал, из которого можно быстро смастерить плавающие средства. В некоторых случаях в ход идут маленькие бутылочки, для других изделий понадобятся огромные двадцатилитровые пластиковые бутыли. Как инженер и дизайнер, можно самостоятельно разработать внешний вид и выяснить количество необходимых компонентов. А после останется лишь складывать да перематывать, соединять и садить на каркас.

Эксперимент я проводила в 2 этапа:

1 этап – модель плота с игрушкой в качестве груза/пассажира;

2 этап – модель плота с моей сестрой в качестве груза/пассажира.

1 этап

Берем одну пластиковую бутылку, вырезаем отверстие сбоку (рис. 3а), чтобы организовать посадочные места для игрушечных пассажиров (рис. 3б). Наша лодка готова.

   

Рис. 3а Конструкция плота

Рис. 3б Плот с пассажирами

Для того, чтобы моя лодка не перевернулась, снизу я сделала утяжеление (обычный камень).

Перейдем к следующему изделию: плот. Три бутылки, скотч или шнурок – и плот готов (рис. 4)

Рис. 4 Плот из бутылок

2 этап

Перед тем как сделать плот для реального пассажира, нужно решить, сколько людей на нем поплывет. Это важный вопрос. В качестве испытателя плота была моя сестра, соответственно, плот рассчитан на одного человека весом 15 кг.

Существует несколько вариантов конструкции плавательного средства, отличающихся материальными и временными затратами:

  1. Самый простой плот. Внешне он немного напоминает надувной матрас. Его я и выбрала для реализации.

  2. Плот из раскладушки. Для его создания необходимы пустая пластиковая тара, ящики, доска, скотч, веревки и раскладушка.

  3. Плот из бутылок и досок. В этом случае можно использовать ёмкости разного объёма, цвета и формы – на внешний вид и плавучесть это не повлияет.

Создание плота шло в несколько этапов:

  1. Расчёт материалов.

  2. Подготовка материалов.

  3. Конструирование плота.

  4. Испытания.

1 этап. Расчет материалов

Для того, чтобы рассчитать необходимое количество бутылок, я воспользовалась законом Архимеда. Для этого я вычислила объем, который занимает моя сестра, по формуле

Моя сестра Катя весит 15 кг, усреднённая плотность тела человека от 940-990 кг/м³ при полном вдохе, до 1010-1070 кг/м³ при полном выдохе.

По закону Архимеда выталкивающая сила, действующая на Катю равна

Сила тяжести, действующая на ребенка

– значит тело будет тонуть

Рассчитываем выталкивающую силу на 1 бутылку.

Объем берем на половину равной бутылке, т.к. нам нужно, чтобы она была над водой

По закону Архимеда выталкивающая сила, действующая на бутылку равна

Рассчитываем количество бутылок для уравновешивания силы тяжести требуется для удержания ребенка на плаву.

Расчет на взрослого ребенка, на меня, 42 кг

По закону Архимеда выталкивающая сила, действующая на меня равна

Сила тяжести, действующая на меня

– значит тело будет тонуть

Рассчитываем выталкивающую силу на 1 бутылку.

Объем берем на половину равной бутылке, т.к. нам нужно, чтобы она была над водой

По закону Архимеда выталкивающая сила, действующая на бутылку равна

Рассчитываем количество бутылок для уравновешивания силы тяжести требуется для удержания меня на плаву.

2 этап. Подготовка материалов

У нас это пластиковые бутылки. Нужно тщательно их осмотреть на предмет дырок. Они должны быть целыми, иначе в них попросту наберется вода. Каждая пластиковая бутылка должна быть крепко закручена крышкой и наполнена воздухом. Это означает, что она не должна быть сплюснутой. Чем больше в таре воздуха, тем более плавучим будет сам плот. Подготовленные емкости нужно скрепить в единое полотно. Для этого понадобится водостойкий скотч или изолента. Плот будет устойчивее и прочнее, если сделаете его из двух слоев пластика.

3 этап. Конструирование плота

Конструирование плота заключается в том, чтобы соединить все ряды в единое полотно. При этом бутылки из соседнего ряда должны быть расположены «горлышко к донышку», чтобы конструкция была более прочной. Маленький плот из пластиковых бутылок готов.

4 этап. Испытания

Испытания плота проходили в домашних условиях, в ванной. В качестве первого испытателя была моя сестра Катя (рис. 5).

Рис. 5 Готовый плот

Как мы видим, плот из пластиковых бутылок выдерживает ребенка весом 15 кг.

Следующим летом я хочу испытать плот на открытой воде, когда мы с родителями пойдем в поход.

Выводы

После долгого отдыха на природе большой компании, накапливается большое количество пластиковых бутылок. Можно выбросить всю эту ненужную тару или сделать из нее полезные для людей предметы. Например, плот. Для того, чтобы сконструировать плот нужно знать необходимые теоретические данные, иметь чистые, целые пластиковые бутылки и скотч. Самая простая конструкция плота внешне напоминает надувной матрас.

Во время изучения литературы я узнала:

  • о плавучести судов;

  • о том, что на тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объёме погружённой части тела;

  • о проявлении закона Архимеда в природе.

В процессе экспериментальной работы я научилась:

  • рассчитывать объем занимаемый человеком;

  • рассчитывать выталкивающую силу, действующую на человека;

  • рассчитывать силу тяжести, действующую на человека;

  • рассчитывать количество бутылок, необходимых для постройки плота.

В ходе испытаний гипотеза о том, что можно построить судно, пригодное для перевозки человека и/или груза, из подручных материалов, подтвердилась.

Список литературы:

  1. Архимедова сила: что это такое и как действует. - Энциклопедия ЭДШ. URL: https://externat.foxford.ru/polezno-znat/wiki-fizika-sila-arhimeda

  2. Закон Архимеда. – Энциклопедия «Кругосвет». URL: https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/ZAKON_ARHIMEDA.html

  3. Адлер Давид Абрахам По закону Архимеда. Почему предметы плавают? - М., 2020, 32 с.

Просмотров работы: 36