XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Практическое применение знаний физики при решении задач в условиях военных действий (создание модели противобуксовочного устройства)
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Научно-технический прогресс всегда оказывал решающее влияние на способы ведения войны, ее характер. Но никогда его роль не проявлялась столь быстро и с такими последствиями, как в наши дни. В связи с интенсивным качественным и количественным ростом военной техники и вооружения активно развивается военная отрасль. Нельзя не отметить огромное влияние математики, радиоэлектроники, автоматики, химии, металлургии и приборостроения, которое они оказали и продолжают оказывать на военное дело. Особое место принадлежит физике, которая также непременно должна быть включена в этот перечень. Без понимания физической сущности явлений природы их невозможно использовать для создания новых научных достижений и открытий. Основой физики является механика - наука о механическом движении. и взаимодействии тел, вызывающем такое движение. Определение траекторий искусственных спутников Земли, создание геометрических форм новых самолетов и определение их лётных характеристик, вычисление траектории, скорости и дальности полета артиллерийских снарядов, баллистических ракет, беспилотных летательных аппаратов, проектирование и строительство новых сооружений (мостов, плотин, зданий), - всем этим мы обязаны механике. Для разумного применения её законов нужна инициатива и творческий подход к решению поставленных задач.
Актуальность данной темы объясняется тем, что эксплуатация техники не обходится без её передислокации в районы выполнения боевых задач. Однако, в процессе перемещения техника может подвергаться серьёзным повреждениям из-за отсутствия дорожного покрытия. Данная проблема актуальна как в мирной жизни, так и в военное время (в частности, в ходе проведения специальной военной операции). Во время весенней распутицы снег начинает таять, и земля превращается в болото, а техника вязнет и становится легкой мишенью для поражения. К сожалению, подобная проблема характерна не только для противника - наша техника, хоть и в меньших количествах, сталкивается с труднопроходимыми грунтовыми дорогами.
Цель работы:
Разработать модель противобуксовочного устройства.
Задачи:
1. Изучить явление буксования, причины и его физическую сущность.
2. Рассмотреть основные средства борьбы с буксованием техники, применяемые в настоящее время.
3. Проанализировать физические принципы, лежащие в основе противобуксовочных устройств.
4. Разработать собственную модель противобуксовочного устройства, объяснить физические свойства, лежащие в её основе.
Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования:
-
Поиск и изучение литературы
-
Эксперимент
-
Анализ результатов деятельности
-
Изучение и обобщение полученного опыта
Объект исследования: явление буксования.
Предмет исследования: устройства, предназначенные для борьбы с буксованием (противобуксовочные устройства).
Гипотеза исследования: возможно создать такую модель противобуксовочного устройства, которая будет удовлетворять требованиям ведения современных боевых действий.
Практическая значимость: данная модель противобуксовочного устройства может быть разработана в натуральную величину, испытана и в дальнейшем применяться в гражданской и военной технике (в т.ч. в условиях военных действий).
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1. Явление буксования
Буксование — это явление, при котором колесо или колеса транспортного средства не могут обеспечить достаточное сцепление с дорожным покрытием, что приводит к потере передвижения и, как следствие, к затрудненному движению или полному его отсутствию. Это явление обычно возникает при недостаточном трении между шиной и дорогой, что может быть вызвано различными факторами.
Итак, рассмотрим причины, вызывающие пробуксовку колёс:
1. Плохое состояние дороги. Присутствие снега, льда, мокрого или грязного дорожного покрытия может существенно снизить сцепление между шинами транспортного средства и дорогой.
2. Износ шин. Шины с низким протектором или изношенные могут предоставлять менее эффективное сцепление, особенно на скользких поверхностях.
3. Проблемы с трансмиссией. Неисправности в трансмиссии могут вызвать неравномерное распределение крутящего момента, что также может способствовать буксованию.
Для того, чтобы выявить физическую сущность такого явления как буксование, необходимо рассмотреть силы, действующие на транспортное средство. На движущийся автомобиль действует ряд сил, часть из которых направлена по оси движения автомобиля (продольные), а часть — под углом к этой оси (боковые).
1. По горизонтальному и прямому участку дороги, действуют следующие продольные силы:
-
тяговая сила
-
сила сопротивления воздуха
-
сила сопротивления качению
2. На колесо действует весовая нагрузка от самого автомобиля, которая в зоне контакта с дорогой создает реакцию дороги
3. Боковая сила - реакция колеса на различные силы, действующие на транспортное средство в поперечном направлении (бокового ветра) и провоцирующие его отклонение.
Рисунок 1. Силы, действующие на колесо
Таким образом, физическое существо буксования — относительное перемещение двух взаимодействующих тел, сопровождаемое их деформацией и взаимным скольжением поверхностей соприкосновения. В нашем случае такими телами служат ведущее колесо и почва (грунт, дорога), а поверхностью их взаимодействия — площадь, ограниченная пятном контакта протектора с почвой.
Коэффициент буксования характеризует скольжение шины в пятне контакта в сторону, обратную направлению движения. Из-за буксования уменьшается скорость машины и повышается энергоемкость качения вследствие затрат мощности на буксование. Величину буксования принято выражать в частях или в процентах. Таким образом, при буксовании колеса
где - скорость продольного скольжения беговой дорожки колеса; - теоретическая окружная скорость колеса; - действительная поступательная скорость колеса.
Последствия пробуксовки колёс для транспортного средства:
-
Пробуксовка колес может сказаться на эффективности торможения. Когда колеса буксуют, автомобиль теряет трение с дорогой, и это ухудшает его способность остановиться. В результате, торможение становится дольше и менее контролируемым. Это может повлечь за собой аварию или столкновение с другими объектами на дороге.
-
Пробуксовка колес может повредить шины автомобиля. Когда колесо прокручивается на месте, шина нагревается и изнашивается быстрее, чем при нормальном движении.
-
Буксование колес может повредить систему управления автомобилем. Когда автомобиль буксует, двигатель работает на предельных оборотах, а сцепления и трансмиссия испытывают превышенную нагрузку.
-
Повреждение дорожного покрытия: Буксование может привести к повреждению дорожного покрытия, особенно во время ледяных или снежных условий. Это может привести к созданию ям и ухудшению состояния дорог.
1.2. Устройства для борьбы с буксованием
Цепи противоскольжения
Цепи противоскольжения улучшают зацепление колес с грунтом. Чтобы надеть цепи, их раскладывают около ведущих колес автомобиля, запускают двигатель, включают низшую передачу и устанавливают автомобиль ведущими колесами на середине цепей, затем натягивают цепи на колеса и концы их соединяют замками.
Недостатки: большая масса (одна цепь грузового автомобиля весит от 40 до 60 кг); длительное применение цепей повышает износ шин автомобиля, поэтому цепи следует снимать, как только необходимость в них отпадает.
Рисунок 2
Противобуксаторы
Противобуксатор состоит из двух продольных угольников с зацепами, шести поперечных угольников, сваренных вместе, и двух цепей. На задние сдвоенные колеса автомобиля надевают цепи, противобуксаторы подкладывают под задние колеса, включают первую передачу и начинают движение, При вращении колес цепи захватывают зацепы противобуксаторов, а угольники противобуксатора углубляются в грунт, обеспечивая хорошее сцепление с грунтом; в результате автомобиль начинает двигаться.
Рисунок 3
Колейные мостики
Для преодаления автомобилями канав, траншей и кюветов при съезде с дороги применяют колейные мостики из бревен и досок. Комплект состоит из двух мостиков, которые крепятся на боковых (наружных) бортах кузова или на платформе.
Рисунок 4
Лебедка
Для самовытаскивания застрявшего автомобиля, оборудованного лебедкой, необходимо выключить муфту включения барабана лебедки, размотать вручную трос на необходимую длину и закрепить конец троса за какой-нибудь местный предмет: пень, дерево и др. Закрепив конец троса, включить муфту и начать подтягивание автомобиля. Для облегчения работы лебедки при самовытаскивании рекомендуется включить первую передачу в коробке передач и одновременно с лебедкой включить ведущие мосты автомобиля.
Рисунок 5
Подручные средства
К подручным средствам повышения проходимости автомобилей относятся: дорожки из прутьев, пучки, из хвороста, песок, дерн и деревянные ваги для вывешивания застрявших колес автомобиля.
У всех вышеперечисленных устройств имею следующие недостатки:
1. Высокая трудоемкость (затраты ценных ресурсов физической силы для установки ПБУ)
2. Затрата большого количества времени на установку (нецелесообразно в условиях боевых действий)
3. Предполагают выход из кабины транспортного средства (риск жизни и здоровью военнослужащего)
2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1. Создание модели противобуксовочного устройства
Для создания модели нами были использованы:
-
шток
-
6 стержней из органического стекла, соединённых со штоком
-
основание
-
болты
1 этап. Разработка расчетной схемы
Для начала мы разработали схему нашего будущего устройства, продумав все детали: работа устройства, размеры, держание на колесе.
2 этап. Создание стержней
На миллиметровой бумаге начертили чертеж.
Рисунок 6
3 этап. Создание устройства
-
После создание чертежа, перенесли его на стекло.
-
Выпили детали с помощью ручной пилы.
Рисунок 7
-
Просверлили в деталях отверстия для болтов.
Рисунок 8
-
Обработали края деталей.
Рисунок 9
-
Соединили все детали болтами.
Рисунок 10
Нами предлагается противобуксовочное устройство, представляющее собой шарнирно-сочленённую систему и входящее в состав колеса. Оно предназначено для преодоления местностей с вязким или заболоченным грунтом и обеспечения проходимости транспортных средств в период распутицы.
Для перемещения колеса устройство размещается в количестве 2 штук в диаметрально противоположных концах колеса.
В штатном режиме оно размещается на диске колёса, повторяя нижним концом огибающую поверхность протектора колеса. Обод и колесо должны быть адаптированы под данную установку.
2.2. Принцип работы модели противобуксовочного устройства (на примере грузовика КамАЗ)
Принцип действия основан на явлении уплотнения грунта и увеличении силы реакции опорной поверхности грунта при взаимодействии с рабочей частью грунтозацепа, то есть гидропневмопривод. Выдвижение устройства происходит за счёт пневмогидропривода при сбрасывании воздуха из колеса в полость пневмоцилиндра или подачи гидравлической жидкости из гидросистемы Преимущества заключаются в автоматизации процесса выкапывания, отсутствие необходимости во вспомогательной технике и увеличение мобильности в боевой обстановке. Устройство крепится к карданному валу. Его выдвижение происходит за счёт рычага снижения давления в шинах, имеющемуся на всех грузовых автомобилях.
Рисунок 11
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В формируемой новой геополитической структуре современного мира военная техника и вооружение остаются одними из числа важнейших средств разрешения межгосударственных проблем, требуя научного подхода при разработке или усовершенствовании. Проведенное нами исследование показывает, что большое значение для технического скачка в области военной техники имеет внедрение и применение физических законов. Эти законы природы позволяют добиваться больших результатов, как при создании вооружений и новой техники, так и при их эксплуатации в условиях современных боевых действий. Мы уверены, что каждый из присутствующих здесь осознал важность изучения дисциплины физики, знание которой позволяет решить любую практическую задачу. И мы это доказали!
Надеемся, что представленная модель по борьбе с буксованием техники в условиях военных действия будет нашим маленьким вкладом в общую победу над врагом.
Список используемой литературы
-
Болштянский, А. П. Электронные системы автомобилей. Учебное пособие [Текст] / А. П. Болштянский. — Омск: Омский государственный технический университет, 2010 — 125 c.
-
Кутьков, Г. М. Тракторы и автомобили: теория и технологические свойства [Текст] / Г. М. Кутьков — 2-е изд.. — Москва : ИНФРА-М, 2022 — 506 c.
-
Тарасик, В. П. Теория движения автомобиля [Текст] / В. П. Тарасик — 2-е изд.. — СПб: БХВ-Петербург, 2022 — 576 c.
-
Вокрачко, Ю. Г. Учебник военного водителя второго класса [Текст] / Ю. Г. Вокрачко. — Москва: Воениздат, 1963 — 376 c.
-
Степанов, Ю. А., Михалев, Ю. В. Оценка и совершенствование тягово-скоростных свойств автотранспортных средств: Учебное пособие [Текст] / Ю. А. Степанов, Ю. В. Михалев. — СПб: ИВЭСЭП, 2009 — 129 c.
Интернет-ресурсы
1. Коноплянко В.И. Силы, действующие на автомобиль / Коноплянко В.И. [Электронный ресурс] // Электронная библиотека по здоровью, здоровому образу жизни и духовному развитию человека : [сайт]. — URL: https://www.universalinternetlibrary.ru/book/21537/ogl.shtml (дата обращения: 13.02.2024).
2. Семенов В. Колесо и дорога. Силы действующие на колесо / Семенов В. [Электронный ресурс] // Usroistvo : [сайт]. — URL: https://ustroistvo-avtomobilya.ru/shiny-i-diski/koleso-i-doroga/ (дата обращения: 6.03.2024).