XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Физика на службе дизайна
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
В современном мире люди уделяют много внимания внешнему виду, дизайну, материалам из которых изготовлены предметы обихода, автомобили, мебель, дома. Поэтому перед производителями и дизайнерами встаёт непростая задача не только создать изделие, которое бы выполняло свои функции, было практичным, но и было внешне привлекательным, соответствовало определённому образу, было необычным. Не редко такое желание сопряжено с определёнными трудностями технического плана. Одну такую задачу мы постараемся решить в этой работе. (ПРИЛОЖЕНИЕ А)
Мы определили цель работы: создать письменный стол для ученика, который бы вписывался в интерьер, был исполнен в стиле минимализма, был надёжным, устойчивым и уникальным.
Для выполнения цели мы поставили задачи:
-
разработать дизайнерское решение;
-
рассчитать изделие с точки зрения физики;
-
изготовить стол из натуральных материалов;
-
протестировать стол учениками.
Объект исследования: письменный стол.
Предмет исследования: устойчивость и надёжность письменного стола.
В ходе работы мы использовали методы: изучение научно-популярной литературы и средств Интернета, анализ собранной информации и обобщение сведений, изготовление опытного образца в домашних условиях, проведение испытаний.
Актуальность работы заключается в том, что любому человеку нужен стол для работы, учёбы. Массовый сегмент предлагает нам столы из ДСП, содержащей в клеях формальдегиды, вредные для здоровья. Существующие варианты столов из массива дерева не соответствуют принципам минимализма.
I. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ.
I.1. Разработка дизайнерского решения.
Так как интерьер дома выполнен в стиле избы-шале и в отделке присутствует много дерева лиственницы было решено делать стол из дерева. (ПРИЛОЖЕНИЕ Б)
Для создания уникального стола в стиле минимализма мы решили избавить стол от двух ног. Это должно понравиться потребителям, привлечь внимание необычным решением, сломать стереотипы. Сложность в том, что для обеспечения устойчивости нужна площадь опоры, а две ноги не могут её создать. Ноги для стола мы сделаем из бревна лиственницы диаметром до 45 сантиметров. Столешница будет из древесины ясеня. Итого стол будет состоять всего из трёх деталей. (ПРИЛОЖЕНИЕ В)
I.2. Проектирование стола.
Для увеличения площади опоры ног стола мы расположим их с наклоном 80 градусов к горизонту. Это увеличит ширину ноги ещё на 1 сантиметр. Столешница была выбрана размерами 140 на 70 см, толщиной 4 см. Определяем 4 направления которые могут увеличить устойчивость нашего стола:
-
подбор угла наклона ног;
-
увеличение веса стола;
-
выбор места крепления ног к столешнице;
-
добавление утяжелителей из стали или бетона.
II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.
II.1. Изготовление стола.
У дерева нижняя часть ствола всегда толще верхушки, из-за высокой плотности древесины низа ствола ещё и тяжелее. Выбираем 2 бревна и отпиливаем от них с толстой их части две заготовки для ног. Подрезаем низ ног под углом 10 градусов. (ПРИЛОЖЕНИЕ Г).
Устанавливаем заготовки на пол. Высота столешницы от пола у нас будет 74 см. Размечаем паз на этой высоте и вырезаем его фрезером. С поверхности бревна предварительно была удалена кора водяной струёй под большим давлением воды. Этот метод обработки оставляет поверхность бревна с естественной фактурой, на вид выглядит шелковистой. (ПРИЛОЖЕНИЕ Д)
С двух противоположных боковых сторон бревно было опилено, эти части и верх ног мы шлифуем шлифовальной машинкой, пока не станут гладкими на ощупь. (ПРИЛОЖЕНИЕ Е)
Взвесим полученные ножки стола. Из-за того, что материал натуральный, все стволы у деревьев имеют разные размеры и плотность, вес ног получился разным 53кг и 51,8 кг. Вес столешницы 26,7 килограмма. (ПРИЛОЖЕНИЕ Ё)
Собираем стол. Вставляем столешницу в ноги ближе к задней части столешницы в прорезанные пазы, как показано на рисунке. (ПРИЛОЖЕНИЕ Ж)
Было три варианта финишного покрытия:
- Лак;
- Масло;
- Воск.
Лак скрывает фактуру дерева, а масло даёт незначительную защиту от чернил. Поэтому мы остановили свой выбор на воске.
Стол получился очень красивым, приятным на ощупь и удобным. (ПРИЛОЖЕНИЕ З)
II.2. Испытания стола.
II.2.1 СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ.
Опыт 1.
Устойчивость без воздействия внешних сил.
Первое требование к устойчивости стола, чтобы линия по которой направлена сила тяжести не выходила за площадь опоры стола. Линия силы тяжести столешницы и силы тяжести ног проходят через площадь опоры. Стол получился устойчивым. (ПРИЛОЖЕНИЕ И)
Второе требование к столу, что бы он не шатался при опирании на него и толкании в горизонтальном направлении. Ученики имеющие кресла на колёсиках любят выходить из-за стола отталкиваясь от него и отъезжая вместе с креслом. Аналогичным образом они садятся за стол, тянут его на себя и кресло подъезжает к столу. Оценим силы, которые при этом действуют на стол и составим расчетную схему.
Опыт 2.
Устойчивость при воздействии внешних сил.
Будем прикладывать максимальную силу к краю стола вертикально вниз со стороны ученика.
Вес ученика не может вывести стол из состояния равновесия.
Расчетный вес ученика при котором произойдёт переворот стола 582 кг.
При такой нагрузке скорее сломается столешница, чем перевернётся стол. (ПРИЛОЖЕНИЕ К)
II.2.2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ
Опыт 3.
Динамическая устойчивость при отталкивании.
При помощи динамометра определим усилие, которое создаёт ученик весом 35 кг при отталкивании от стола.
У нас получилось 13 кг.
Составляем расчетную схему и считаем условие равновесия.
Стол устойчивый.
Расчетное усилие опрокидывания стола при толкании 28 кг, что соответствует весу ученика 73кг. (ПРИЛОЖЕНИЕ Л)
Опыт 4.
Динамическая устойчивость при притягивании.
Считая, что ученик тянет парту на себя с тем же усилием в 13 кг, рассчитываем равновесие стола согласно схеме действия сил.
Стол снова показал свою устойчивость.
Расчетное усилие опрокидывания стола 47 кг, что соответствует весу ученика 122 кг. (ПРИЛОЖЕНИЕ М)
Опыт 5.
Динамическая устойчивость при смешанной нагрузки.
Два ученика одновременно будут пытаться вывести стол из равновесия. Один будет сидеть на краю столешницы, а другой тянут его на себя.
Стол выдержал это испытание. (ПРИЛОЖЕНИЕ Н)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В этой работе мы смогли спроектировать и изготовить стол необычный по дизайну, из натуральных материалов, устойчивый, несмотря на небольшую площадь опоры.
Максимальный вес пользователя стола может быть 73 кг. Если человек весит больше, то можно использовать скрытое увеличение веса стола.
Но для большинства учеников этого не требуется. (ПРИЛОЖЕНИЕ О)
Считаю, что цель работы достигнута, задачи выполнены.
ЛИТЕРАТУРА
1. Инструкция по эксплуатации электрического фрезера Макита.
2. Инструкция по эксплуатации электрической шлифовальной машинки Макита.
3. Кикоин И.К., Какоин А.К. Физика. Учебное пособие для 8 класса средней школы. - М.: «Просвещение», 1973.
4. Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е. Физика. 7 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. - М.: Дрофа, 2002.
5. Фокин С.В., Шпортько О.Н. Деревообработка: технологии и оборудование. Учебное пособие, 2-е изд. Перераб. и доп. - М.: Инфра-М, 2017.
I
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А
II
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
III
ПРИЛОЖЕНИЕ В
IV
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
V
ПРИЛОЖЕНИЕ Д
VI
ПРИЛОЖЕНИЕ Е
VII
ПРИЛОЖЕНИЕ Ё
VIII
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж
ПРИЛОЖЕНИЕ З
IX
ПРИЛОЖЕНИЕ И
П РИЛОЖЕНИЕ К
X
ПРИЛОЖЕНИЕ Л
ПРИЛОЖЕНИЕ М
XI
ПРИЛОЖЕНИЕ Н
XII
ПРИЛОЖЕНИЕ О