XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение физических свойств и характеристик кухонных губок разных производителей

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Боброва А.А. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Средняя школа №42»

Курденко Е.В. 1

---

1МАОУ СШ №42

Работа в формате PDF

770.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире существует множество способов, средств, приспособлений для мытья посуды и уборки помещений. Конечно, на все это хочется тратить меньше времени с большей эффективностью, без применения агрессивных моющих средств. Несмотря на то, что на сегодня существуют умные приспособления и машины, облегчающие хозяйкам этот малоприятный ежедневный труд, все равно самые обычные губки для посуды остаются востребованными.

С учетом того, сколько их разновидностей сейчас выпускают, можно растеряться и сделать неправильный выбор. А ведь хорошая губка должна, сэкономить время и сделать процесс мытья посуды легким, быстрым, приятным.

Каким кухонным губкам отдавать предпочтение? Из чего делаются губки? Есть ли отличия в технических характеристиках губок различных производителей? Какие характеристики являются показателями качества губки?

Эти вопросы делают тему нашего исследования актуальной.

В связи с этим определилась проблема:

Проблема: действительно ли губки разных производителей существенно различаются по характеристикам.

Гипотеза: эксплуатационные свойства и характеристики губок разных производителей различны и напрямую зависят от показателей качества материала, из которого они изготовлены

Цель работы: на основе опытно-экспериментальной проверки изучить и сравнить физические свойства и характеристики кухонных губок разных производителей, выяснить какие характеристики являются показателями их качества.

Задачи:

• • • • изучить теорию по данной теме в научно-популярной литературе, публикациях и статьях Интернет;

      • провести опытно-экспериментальную проверку:

• измерить размеры губки (a, b, c, m, V);

• определить плотность (истинную и кажущуюся), пористость;

• исследовать прочность, эластичность, степень деформации, износостойкость губок разных производителей;

• исследовать зависимость образования мыльной пены от пористости губки;

• исследовать зависимость массы впитываемой жидкости от рода жидкости (плотности);

• проанализировать полученные результаты, сформулировать выводы.

Объект исследования: поролоновая губка

Предмет исследования: физические свойства и характеристики поролоновой губки

Для решения вышеуказанных задач, использовали следующие методы: эмпирический (наблюдение, описание, измерение, сравнение), общелогический (анализ, синтез).

Новизна работы:

В нашей работе представлен как теоретический, так и практический материал, выходящий за рамки школьной программы курса физики. Поставлен ряд опытов и проведено исследование в области изучения свойств материала с малой плотностью (поролона).

Практическая значимость:

Результаты исследований могут использоваться на уроках физики 7,10 классов при изучении таких тем как «Плотность вещества», «Смачивание и несмачивание», «Капиллярные явления», для повышения интереса к физике как науке, для расширения кругозора учащихся.

Основное содержание

Глава I. Теоретическая часть

§ 1. История происхождения кухонной губки

Первое упоминание об использовании приспособлений для мытья посуды сохранилось на глиняных табличках, датируемых IV тысячелетием до нашей эры. В древности для этого использовались высушенные водоросли или куски шерсти животных, связанные между собой в пучок.

В средние века посуду мыли щётками из натуральной щетины животных, либо специально подготовленной натуральной губкой, выловленной в море. Однако, такие приспособления стоили довольно дорого, поэтому бедняки использовали просто высушенную траву.

В ХІХ веке мыли посуду обычной полотняной тряпкой в мыльной горячей воде с добавлением соды, соли, золы или песка.

В 1941 году немецкий учёный Отто Байер изобрёл вспененный полиуретан (поролон). В последующие годы состав поролона усовершенствовали, добившись более упругого и прочного качества.

Данный материал стал основой для изготовления привычных в наше время губок для мытья посуды. В настоящее время на торговых площадках множество производителей предлагают большой ассортимент губок для мытья посуды. Предлагаемые товары отличаются цветом, плотностью, впитываемостью и множеством других характеристик. [1]

§ 2. Виды губок

Губки для мытья посуды изготавливаются из различных материалов, отличающихся друг от друга техническими характеристиками, сроком эксплуатации и внешним видом.

Есть несколько видом материалов, из которых делают губки:

1. Поролоновые. Производится из полиуретановой пены, которая согласно ГОСТу должна состоять на 85% из воздуха. Имеет характерную пористую структуру, благодаря которой она легко, быстро и в больших количествах впитывает воду, а также способна создавать пену. 

2. Целлюлозные. Такого рода губка зачастую бывает сделана из вискозы. На ощупь такие губки довольно мягкие, но упругие, пупырчатые. Имеют более плотную, чем у поролоновых аналогов, структуру. Долговечны, могут сохранять свою форму в течение длительного периода.

3) Силиконовые. Представляют собой плоские губки со множеством мелких ворсинок. Хорошо отмывают практически любую грязь.  Подобная губка не портит поверхность посуды, не является источником размножения бактерий. Практически не образует пену.  Замены требует раз в несколько месяцев.

3. Из микрофибры. Делаются из натурального материала – экологически безопасны. Главная особенность – хорошая способность впитывать жидкости. Благодаря этому появляется возможность не использовать слишком много моющего средства.   Плохо отмывает застывшую грязь, быстро пачкается, мгновенно впитывает в себя любые жидкости. Не отличается долгим сроком службы, но стоит недёшево.

4. Бамбуковые. Производится из натурального бамбукового волокна, которое также является экологичным материалом. Представляет собой тонкую губку с «чехлом» из ткани и поролоновой вставкой внутри. . Хорошо справляется с жирными поверхностями и засохшей грязью. Из-за своей «мягкой» структуры быстро теряет свой товарный вид и приходит в негодность. [2]

Это самые популярные виды губок, которые производятся для мытья посуды. В нашей работе мы будем изучать свойства и характеристики поролоновых губок, потому что их можно найти практически на каждой кухни.

§3. Показатели качества поролона

1. Плотность. Одним из основных показателей качества поролона является плотность. Причем чем выше плотность, тем длиннее эксплуатационные сроки, тем более долгий срок этот материал будет воспринимать нагрузки не деформируясь. Плотность указывает на количество поролона в единице объема. Для пористых материалов существует два вида плотности: а) истинная плотность, которая определяется без учета пустот, б) кажущаяся плотность учитывает пустоты (вернее объем пустот). Для поролона правильнее рассчитывать кажущуюся плотность, так как материал – поролон – на 80-90% состоит из воздуха, заключенного в структурные ячейки поролона.

2. Эластичность. Показатель эластичности отвечает за то, насколько податливым будет материал в работе. Для определения показателя специальный шарик бросают на ровную поролоновую поверхность, оценивают результат. Шарик должен отскакивать от упругой поролоновой поверхности. Если этого не происходит, изделие недостаточно эластично.

3. Жесткость (напряжение сжатия). Определяет величину усилия, которое необходимо для сжатия участка материала. Жёсткость также оказывает влияние на срок эксплуатации, а также показатели деформации. Если в отверстиях изделия слишком много воздуха, материал будет сильно сжиматься при надавливании, плохо держать форму.

4. Величина остаточной деформации. Величина характеризующая способность сберегать свою форму и размеры в процессе использования. Для того чтобы определить остаточную деформацию образец поролона сдавливают вдвое и оставляют в таком положении на некоторое время, при условии, что температура и влажность воздуха имеют определенное значение. После этого производят замеры размеров поролона и выявляют величину отклонения от заданных параметров.

5. Прочность. Прочностные показатели в данном случае – это предельная прочность при разрыве и сравнительное удлинение при разрыве. Чтобы оценить прочность, растягивают изделие в длину или ширину. Прочность на разрыв проявляется, когда поролон рвется из-за сильного натяжения. Образец высокого качества при растяжении до 150% от изначальной длины, рваться не будет. [3]

Глава II. Экспериментальная часть

§ 1. Определение размера, объема и массы губки

Оборудование: исследуемые образцы губок различных производителей, линейка, электронные весы

Порядок выполнения работы:

1. Измеряем длину, ширину, высоту губок.

2. Рассчитываем объем каждого образца:

3. Измеряем массу.

4. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1

Вывод: исследуемые образцы отличаются по массе и размеру.

§ 2. Определение кажущейся плотности губки

Оборудование: исследуемые образцы губок, линейка, электронные весы

Плотность вещества определяется, как отношение массы тела к объему, занимаемым этим телом.

Порядок выполнения работы:

1. Используя результаты прошлых измерений, вычислим кажущуюся плотность исследуемых образцов губок .

2. Результаты представлены на диаграмме 1.

Диаграмма 1

Вывод: наибольшая кажущаяся плотность у образца №1, наименьшая у №3. При визуальном осмотре было определено, что у образца №1, самые маленькие структурные ячейки поролона, в котором находится воздух. Как известно, чем крупнее ячейки, тем меньше плотность поролона.

§ 3. Определение истинной плотности губки

Оборудование: исследуемые образцы губок, контейнер с водой, измерительный цилиндр

Порядок выполнения работы:

1. Наливаем воду в контейнер определенного объема V₁, см³.

2. Помещаем губку в контейнер с водой.

3. Вынимаем губку через 30 с. (приложение 1, фото 1)

4. Измеряем объем оставшейся воды, V₂, см³.

5. Сушим губку и повторяем пункты №2, №3, №4 пять раз.

6. Рассчитываем средний объем оставшейся воды в контейнере V_{2 ср.}

7. Рассчитываем объем пустот: V₀= V₁- V_{2 ср.}

8. Определяем объем материала в губке: V_м=V- V_0.

9. Рассчитываем истинную плотность . [4]

10. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2

Вывод: истинная плотность у исследуемых образцов различная. Чем больше плотность, тем более долгий срок этот материал будет воспринимать нагрузки, не деформируясь, и соответственно длиннее эксплуатационные сроки.

§ 4. Определение пористости губок

Оборудование: исследуемые образцы губок

Порядок выполнения работы:

Используя результаты прошлых измерений, определяем пористость образца, т.е объемную долю воздуха в %: . [4]

Результаты представлены на диаграмме 2

Диаграмма 2

Вывод: наибольшая объемная доля воздуха 80,2% у образца №4. При визуальном осмотре было определено, что у образца №4, самые крупные структурные ячейки поролона, в котором находится воздух. Следует отметить, образец №4 соответствует ГОСТу, согласно которому, поролон должен состоять на 85%-90% из воздуха.

§ 5. Определение эластичности губки

Оборудование: исследуемые образцы, миллиметровая бумага, резиновый шарик.

Первые и простейшие методы измерения эластичности заключались в свободном падении резинового шарика с высоты h и измерении высоты h₁ его отскока от твердой поверхности. Эластичность в этом случае характеризуется отношением (h₁/h)·100%.

Порядок выполнения работы:

1. Поднимаем резиновый шарик над исследуемым образцом на высоту 28 см.

2. Отпускаем шарик одновременно включаем видеокамеру, фиксируем высоту отскока с помощью закрепленной миллиметровой бумаги. Скриншот видеофрагмента опытов, представлены на фото №2, приложение 1.

3. Повторяем измерения 5 раз для каждого образца.

4. Рассчитываем (h₁/h)·100%.

5. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3

Вывод: эластичность поролона определяется высотой отскока шарика после свободного падения на поролон с определенной высоты. Из опыта следует, что наиболее эластичным образцом является губка №5, наименее эластична губка №3.

§ 6. Исследование остаточной деформации

Для исследования остаточной деформации, поролон сжимается на 50%, оставляется в таком положении на предпочитаемый промежуток времени. После выдержки его нужно расправить и оценить результат. Качественный поролон быстро принимает ровную форму.

Оборудование: исследуемые образцы губок, гири одинаковой массы

Порядок выполнения работы:

Опыт 1:

1. Ставим на губку груз массой 2 кг (приложение 1, фото 3)

2. Оставляем на 7 дней.

3. Снимаем груз.

4. Наблюдаем за губками в течении часа фиксируя результат на фото. (приложение 1, фото 4)

Опыт 2

1. Складываем губку пополам и сверху ставим груз массой 2 кг.

2. Оставляем на 7 дней.

3. Снимаем груз.

4. Наблюдаем за губками в течении часа фиксируя результат на фото. (приложение 1, фото 5)

Опыт 3

1. Смачиваем губку водой, складываем пополам, отжимаем и сверху ставим груз массой 2 кг.

2. Оставляем на 7 дней.

3. Снимаем груз.

4. Наблюдаем за губками в течении часа фиксируя результат на фото. (приложение 1, фото 6)

Вывод: в первом опыте, после снятия груза быстрее всех принял начальную форму образец №4. Дольше всех принимал начальную форму образец №2.

Во втором опыте образцы №4, 5 приняли начальную форму спустя 15 с, спустя минуту-образцы №1,3 спустя час-образец №2.

В третьем опыте образец №4 принял начальную форму спустя 4 ч, остальные образцы остались деформированными.

Следовательно, образец №4 сделан из более качественного поролона и должен прослужить дольше. Также стоит отметить, что быстрее всех принял свою начальную форму образец с наибольшей истинной плотностью.

§ 7. Исследование прочности

Для определения качества этого параметра проверяют степень устойчивости поролона к разрывам. Также, оценивают степень удлинения до момента, когда материал разорвется. Достаточным показателем считается удлинение на 150%.

Определим предельную прочность при разрыве

Оборудование: исследуемые образцы губок, штатив, грузы, крючок, линейка

Порядок выполнения работы:

1. Отрезаем одинаковые полоски от образцов.

2. Закрепляем в лапке штатива поочередно исследуемые образцы.

3. Измеряем начальную длину l₀ (см), без груза.

4. Подвешиваем к образцам гири известной массы. (приложение 1, фото 7)

5. Фиксируем силу F(Н), при которой происходит разрыв.

6. Измеряем конечную длину l (см) перед разрывом.

7. Повторяем опыт 5 раз для каждого образца.

8. Определяем среднюю длину перед разрывом.

9. Рассчитываем удлинение: Δl=l_ср-l_0.

10. Результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4

Вывод: наиболее прочной губкой оказался образец №4, наименее прочный образец №1. Устойчивость к разрывам и степень удлинения зависят от эластичности материала.

§ 8. Исследование зависимости массы впитываемой жидкости от рода жидкости(плотности)

Оборудование: исследуемые образцы губок, термометр, контейнер с водой, измерительный цилиндр, миллиметровая бумага, электронные весы, шприц.

Жидкости: вода-№1, раствор моющее средства -№2, подсолнечное масло -№3

Порядок выполнения работы:

1. Измеряем массу каждого образца в сухом состоянии, m (г).

2. Опускаем губку в жидкость №1 (глубина погружения не более 5мм).

3. Измеряем массу каждого образца через 1минуту (приложение 1, фото №8).

4. Сушим губку и повторяем измерения 5 раз для каждого образца.

5. Рассчитываем массу впитываемой жидкости:m_ж = m –m_1ср.

6. Меняем жидкость и повторяем измерения.

7. Результаты представлены в таблице 5 и для наглядного сравнения на диаграмме 3.

Таблица 5

Д иаграмма 3

Вывод: масса впитываемой жидкости зависит от рода жидкости (плотности), лучше всего впитывается подсолнечное масло. Следует отметить, что образцы губок имеет различную степень впитываемости. Это связано с тем, что образцы имеют разную плотность и пористость.

§ 9. Исследование зависимости образования мыльной пены от пористости губки

Оборудование: исследуемые образцы губок, шприц, вода, моющее средство

Порядок выполнения работы:

1. Смачиваем каждый исследуемый образец водой

2. Капаем на соченный образец 2мл моющего средства

3. Вспениваем фиксируем результат на фото (приложение 1, фото №9)

Вывод: наибольший объём пены образовался у образца №4, наименьший у образца №3. Можем отметить, что больше всего пены образовалось у губки с большей пористостью. Аналогично у губки с наименьшей долей воздуха меньше всего пены. Из чего следует, что образование пены напрямую зависит от пористости губки.

§10. Исследование износостойкости

Оборудование: наждачная бумага, образцы губок

Порядок выполнения работы:

1. Образец губки проводим о поверхность наждачной бумаги 10 раз

2. Оцениваем внешний вид, а именно истирание верхнего слоя, разрывы.

Вывод: разрыв поролона и максимальное истирание верхнего слоя произошел у образцов №3,5. Наиболее устойчивыми к данному виду испытаний оказались образцы № 2 и №4

Заключение

Данная исследовательская работа является актуальной, так как на рынке представлено множество различных губок для мытья посуды и среди них важно выбрать оптимальный вариант. Таким образом работа имеет не только теоретическое, но и практическое значение.

В результате проделанных опытов, можно утверждать, что нам удалось на основе опытно-экспериментальной проверки изучить и сравнить физические свойства и характеристики кухонных губок разных производителей, а также подтвердить выдвинутую нами гипотезу.

В ходе исследований были сформулированы следующие выводы:

1. Губки разных производителей отличаются по массе, размеру и плотности. Наиболее удобный и практичным для использования на наш взгляд является образец под № 5.

2. Образец №4 должен прослужить более долгий срок, он имеет наибольшую истинную плотность и устойчивость к деформации.

3. Образец №4 соответствует ГОСТу, согласно которому, поролон должен состоять на 85%-90% из воздуха.

4. Наиболее эластичным образцом является губка №5. Однако, следует отметить что точность используемого метода измерения эластичности не велика. Наиболее быстро и точно эластичность эластомеров в настоящее время определяют на маятниковом упругометре.

5. При исследования остаточной деформации и износостойкости, было выявлено, что образец №4 сделан из более качественного поролона и более устойчив к разрывам и трению.

6. Исследуемые образцы губок имеют различную степень впитываемости. Однако, нам не удалось выделить лучший образец. Это связано с тем, что образцы по-разному впитывали жидкости, отличающиеся плотностью.

7. Наибольший объём пены образовался у образца №4, наименьший у образца №3.

В заключении хотим отметить, мы не сотрудничаем с рекламодателями, но из пяти губок для мытья посуды мы рекомендуем образец №4. Именно этот образец в ходе исследования показал большую устойчивость к деформации, а значит он сделан из наиболее качественного материала. Кроме того, данная губка при взаимодействии с моющим средством образовала больше всего пены, что свидетельствует об её хороших эксплуатационных качествах. Однако стоит отметить, что при всех её преимуществах данная губка имеет самую высокую цену

Список используемых источников

1. Справочный сайт «ThoughtCo» https://www.thoughtco.com/history-of-polyurethane-otto-bayer-4072797.

2. Тех.Приборы. РУ https://tehpribory.ru/glavnaia/instrumenty/gubka-dlya-posudy.html.

3. Информационно-справочный сайт https://www.fgu-ocsm.ru/chto-takoe-plotnost-paralona/ .

4. Научно-методический журнал «Физика в школе» №1, 2017 г.

5. Справочник химика. https://www.chem21.info/info/1325935/.

6. Википедия https://en.wikipedia.org/wiki/Foam_rubber.

П риложение 1

Ф ото №1

Фото №2

Фото №3

Фото №4

Фото №5

Фото №6

Ф ото №7

Ф ото №8

Фото №9