XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Устройство для изготовления валенок своими руками

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Калинин М.К. 1

---

1МАОУ "СОШ№40"

Попова С.А. 1

---

1МАОУ "СОШ №40"

Работа в формате PDF

1.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

В прошлом году я работал над темой «Чудо-обувь из глубины веков». Мы ознакомились с историей, исследовали свойства теплопроводности, изучили технологию валяния. Оказалось, что на изготовление валенок затрачивается много времени. Это очень сложный и трудоемкий процесс. После долгих размышлений к нам пришла идея создать приспособление, которое облегчит ручной труд и сократит время валяния. Это и стало темой моей исследовательской работы.

Актуальность. Ручной процесс изготовления валенок требует много времени и сил. Если придумать устройство, которое облегчит тяжелый ручной труд, то этот процесс станет любимым и увлекательным делом.

Итак, цель работы: изучив понятие и свойства силы трения, изготовить устройство, помогающее людям облегчить изготовление валенок.

Исходя из цели, поставлены следующие задачи:

1.Собрать и проанализировать информацию о силе трения.

2. Провести практические опыты, чтобы:

- изучить силу трения;

- узнать, от чего зависит трение;

- выяснить, какие факторы влияют на уменьшение или увеличение силы трения.

3. Выделить ряд требований, которыми должно обладать устройство для валяния.

4. Разработать эскиз и изготовить макет устройства.

5. Обобщить результаты и сделать выводы.

Объект исследования: устройство для валяния

Предмет исследования: сила трения, участвующая в процессе изготовления валенок

Методы исследования:

1.Поиск информации в литературе, в интернете.

2.Собственные наблюдения и практические опыты.

3.Эксперименты по изготовлению макета и устройства для валяния валенок.

Для достижения цели мы выдвинули гипотезу: в домашних условияхмы изготовим устройство, которое сократит время изготовления валенок и облегчит ручной труд.

1. Основная часть

   1. Сила трения.

Из литературы мы узнали, что сила трения сопровождает нас на каждом шагу. Без трения мы не смогли бы ходить, сидеть, работать без опасения, не задумываясь, что книги и тетради упадут со стола, что стол будет скользить по полу, пока не упрётся в стену, а ручка выскользнет из рук.

Изучением причин и природы трения занимались выдающиеся испытатели в разные времена и эпохи. Люди отчетливо ощущали трение при добывании огня, перекатывании больших каменных глыб. Нетонущие бревна породили примитивные суда, которые приводили в движение веслами. Таким образом, стало ясно, что можно избежать трения на суше, заменив его речными перевозками. Так человек научился бороться с трением привычным нам образом, все знания передавались из поколения в поколение.

Быстро развивавшаяся техника XX века требовала все большего внимания к исследованию трения. В 30-е годы XX века появилась новая наука, включающая в себя механику, физику поверхностных явлений и химию — это трибология – наука, изучающая трение.

Из учебника физики мы выяснили, что сила трения – это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого и направленная в сторону, противоположную движению или возможному движению.

Сила трения возникает из-за того, что неровности одного тела цепляются за неровности другого тела и мешают их взаимному движению. Если увеличить силу, прижимающую тела друг к другу, то неровности сильнее цепляются, и сила трения увеличивается. Сила трения не зависит от площади соприкасающихся тел, а зависит от материала тел и их веса: чем больше сила, прижимающая тело к поверхности, тем больше сила трения.

Различают силу трения покоя, силу трения скольжения и силу трения качения [2].

Трение покоя возникает между неподвижными твёрдыми телами, когда какое-либо из них пытаются сдвинуть с места.

Трение скольжения возникает при скольжении одного твёрдого тела по поверхности другого. Из учебника физики я узнал, что санки, скатившиеся с горки, останавливают свое движение или шайба, скользящая по льду, замедляет свое движение – это все происходит из-за трения скольжения, которое направлено в сторону противоположному движению тела.

Сила трения качения возникает, когда одно тело катится по поверхности другого. Например, когда вы катаете мяч по земле, между мячом и землей возникает сила трения качения или скалка катится по столу.

1. 2. Трение в природе.

Трение – удивительный феномен природы! Например, у многих растений и животных имеются различные органы, служащие для хватания (усики растений, хобот слона, цепкие хвосты для лазания животных). Все они имеют шероховатую поверхность для увеличения силы трения. 

Среди живых организмов распространены приспособления (шерсть, щетина, чешуйки, шипы, расположенные наклонно к поверхности), благодаря которым трение получается малым при движении в одном направлении и большим – при движении в противоположном направлении. На этом принципе основано движение дождевого червя. Щетинки, направленные назад, свободно пропускают тело червя вперед, но тормозят обратное движение.

Трение также используется в технике и орудиях труда, и материалы обрабатывают тоже с помощью трения. Человек живущий на земле передвигается только благодаря трению.

Изучив теорию силы трения и принципы его применения, мы решили проверить и доказать применение силы трения в жизни человека.

2. Практическая часть

   1. Практические опыты и наблюдения.

Опыт№1. Ход работы:

1. Взяли металлическую монету и потерли ее о любую поверхность.

2. Повторили опыт многократно сгибания и разгибания металлическую проволоку.

Результат: проволока в месте сгиба и металлическая монета стали нагреваться.

Вывод: Предметы нагреваются из-за трения между соприкасающимися поверхностями (см. Приложение 1, Фото 1-2).

Опыт №2. Ход работы:

1. Взяли лист бумаги и вложили его под верхние страницы начала толстой книги. Попытаемся вытащить лист.

2. Вложили тот же лист почти в самый конец толстой книги. Попытались вытащить лист бумаги.

Результат: легче вытащить лист бумаги из верхней части книги, чем из нижней.

Вывод: чем сильнее прижимаются поверхности тел друг к другу, тем больше их взаимодействие, то есть больше сила трения (см. Приложение 1 Фото3-4).

Опыт №3. Ход работы:

1. Взяли брусок и положили на гладкую поверхность.

2. Приподняли одну сторону доски и понаблюдали за движением.

Результат: при не слишком большом угле наклона доски брусок остался на месте.

Вывод: если брусок не двигается, значит, его удерживает именно сила трения покоя, направленная против возможного движения бруска (см. Приложение 1 Фото 3).

Опыт №4. Ход работы:

1. Взяли предмет с плоским дном и поставили на гладкую поверхность.

2. Приподняли одну сторону и понаблюдали за движением.

3. Смазали поверхность доски маслом и снова понаблюдали за движением предмета.

Результат: по смазанной поверхности предметы скользили лучше.

Вывод: на смазанной поверхности мы можем уменьшить силу трения (см. Приложение 1 Фото 6-7).

Опыт №5. Ход работы:

1. Взяли предмет с плоским дном и поставили на гладкую поверхность.

2. Приподняли одну сторону и понаблюдали за движением предмета.

3. Посыпали поверхность доски солью и землей. Понаблюдали за движением предмета (см. Приложение 1 Фото 8-9).

Результат: по искусственно созданной неровной поверхности предметы скользят хуже или совсем не скользят.

Вывод: создав неровную поверхность, мы можем увеличить сопротивляемость предметов, то есть силу трения.

Опыт №6. Ход работы:

1. Взяли предмет с плоским дном и поставили на гладкую, смазанную поверхность.

2. Приподняли одну сторону и понаблюдали за движением предмета.

3. Поставили предмет в исходное положение и добавили груз, увеличили нагрузку на предмет. Понаблюдали за скоростью движения предмета и пройденного им расстояния.

Результат: после увеличения нагрузки предмет скользил хуже.

Вывод: с увеличением нагрузки на предмет сила трения увеличивается, и пройденное расстояние уменьшается (см. Приложение 2 Фото 10-11).

Опыт №7. Ход работы:

1. Взяли предметы с одинаковой массой, но разной площадью соприкосновения тел.

2. Положили на гладкую горизонтальную поверхность.

3. Приподняли одну сторону и понаблюдали за скоростью движения предметов.

Результат: предметы продвинулись на одинаковое расстояние.

Вывод: сила трения не зависит от площади соприкосновения поверхностей (см. Приложение 2 Фото 12).

Проведя наблюдения и опыты, мы можем применить их в создании устройства для облегчения валяния валенок.

2.2 Изучение прототипа и составление эскиза

Нам показалось удивительным, но именно сила трения разгоняет автомобиль и не дает колесам проскальзывать. Если нажать на тормоза, то колеса начнут проскальзывать, автомобиль будет скользить. Мы выяснили, чтобы увеличить силу трения на колесах создают специальные выпуклости-протекторы (см. Приложение 2 рис.3). Это и станет основой для создания нашего устройства.

В основе изготовления валенок лежит многократное трение, за счет чего волоски сцепляются и уплотняются, тем самым размер заготовки уменьшается в размерах. В старину использовали специальные самодельные терки (см. Приложение фото), на которых терли заготовки до нужной усадки и размера. В современном мире все автоматизируется и упрощается. Используя интернет-источники, мы собрали информацию о существовании подобных машин, приборов и приспособлений (см. Приложение 2 Фото 13). Прежде чем приступить, к изготовлению макета устройства мы определили задачи и выделили ряд требований, которыми должно обладать наше устройство.

Требования к нашему устройству:

1. При минимальных усилиях должно происходить максимальное трение волосков шерсти.

2. Трение должно происходить равномерно со всех сторон.

3. Должна быть решена проблема усадки шерстяного полотна в виде заготовки и после натягивания его на колодки.

Изучив уже имеющиеся машины, приборы и приспособления, учитывая предъявленные требования, разработали эскизы (см. Приложение 3 рис. 1-2), изобразили устройство с тремя валами и с четырьмя валами. Решили, что с тремя валами будет происходить неравномерное трение со всех сторон, и нам будет сложно помещать заготовку внутрь, поэтому мы изготовим макет устройства с четырьмя валами (см. Приложение 3 Фото14-17) и разберем все недостатки.

2. 3. Создание и проработка макета

Далее приступим к созданию макета:

1. Изготовили каркас из небольших брусков в виде параллелепипеда, в верхнее основание встроили два вала, которые вращаются между с собой.

2. Положили между валами шерстяной шар и протестировали макет устройства.

Результат: поняли, что трение между предметами оказалось минимальным.

3. Накрутили на валы проволоку, создали эффект протекторов для увеличения силы трения.

Примечание: предположим, если макет останется в этом виде, то второе и третье требование у нас не будет исполнено.

4. Приняли решение – добавить к двум имеющимся валам еще дополнительно два сверху, но должна быть возможность положить предмет между четырьмя валами, то есть внутрь.

5. Усовершенствовали, сделав макет устройства с откидывающейся крышкой, на крышке которой будут крепиться два дополнительных вала, при открывании крышки легко можно будет положить предметы внутрь (см. Приложение Фото 14-17).

6. Протестировали. Результат положительный.

7. Сделали выводы:

• • • Валы должны находится ближе друг к другу, на минимальном расстоянии.

    • Приняли решение скрепить протекторы по спирали, но на каждом вале они будут направлены в противоположные стороны.

Примечание: если протекторы будут прикреплены по спирали в одну сторону, то изделие, находящееся внутри, вытолкнется при вращении валов.

• • • Рычаг в виде педали облегчит открывание крышки, если валы будут из металла.

    • Макет устройства приводится в движение самодельной ручкой. Для того, чтобы привести в движение большой станок, нужен механический мотор или двигатель. В движение валы должны приходить при помощи ручного или механического мотора, двигателя.

Изготовив макет и сделав выводы, мы приступили к изготовлению устройства из металла.

2.4. Изготовление и тестирование устройства.

Опираясь на опыт созданного макета, изготовим устройство.

1. 1. 1. Создали каркас.

      2. Скрепили два вала на верхнее основание и дополнительные два вала на крышку. Предварительно приварили к каждому валу протекторы. Для этого использовали толстую проволоку.

      3. Нижние два вала соединили между собой цепью, то же самое повторили с верхними валами. Для того, чтобы все четыре вала приводились в движение одновременно соединили верхние и нижние валы дополнительной цепью.

      4. Привели валы в движение ручным способом.

      5. Для облегчения открывания верхней части сделали удобную длинную ручку и педаль по принципу рычага (см. приложение 3 Фото 18).

      6. Прикрепили двигатель, который сняли со старой циркулярной пилы, на которой строгали доски. Это мы сделали для того, чтобы приводить в движение валы автоматически.

      7. Для безопасности и вентиляции воздуха сделали самодельную защитную крышку.

      8. Установили пускатель двигателя с регулировкой оборотов, который приобрели на рынке старых вещей (см. Приложение 4 Фото 19-22).

Результат: запустить устройство с первого раза не удалось.

Примечание: доработали и отремонтировали двигатель. Он залежался и некоторые детали устарели.

1. 1. 9. Повторно запустили устройство для изготовления валенок. Заработал.

Примечание: ознакомится с изготовленным нами устройством можно в приложении 4 рис. 19-22 более подробно.

1. 1. 10. За ранее подготовленную заготовку из шерсти пропустили через устройство для валяния.

Результат: заготовка выпала.

Примечание: пришли к выводу, что заготовка должна быть цилиндрической или круглой формы.

1. 1. 11. Свернули шерстяную заготовку в трубку, вложили между валами и запустили устройство для валяния валенок (см. Приложение 4 Фото23-25).

Результат: получилось, заготовка быстро дала усадку в течении 3-5 мин.

Примечание: шерстяную заготовку нужно вынимать каждые 2-3 мин, разворачивать и снова сворачивать в другом направлении. Эти манипуляции проделали 4-5 раз при скорости 25-30 оборотов в минуту для того, чтобы усадка была равномерной.

1. 1. 12. Натянули шерстяную заготовку на специальные деревянные колодки. Тестируем.

Результат: устройство прекращает движение

Примечание: причина остановки устройства – валенок не имеет круглой, цилиндрической формы.

Вывод: нужно держать заготовку поверх закрытого устройства над движущимися валами, слегка надавливая, чтобы возникало больше трения между валенками и выпуклостями (см. Приложение 4 Фото 26-28).

1. 1. 13. Изготовили второй валенок, закрепили полученный результат.

Примечание: ознакомиться с этапами создания устройства, с возникшими проблемами и путями их решения можно в приложении 5, таблица 1-2.

Результат: Эффект превзошел наши ожидания! Время, затраченное на изготовление валенка при помощи устройства, уменьшилось почти в два раза по сравнению с ручным трудом! С 2 часов 55 мин до 1 часа 12 мин. Мы думаем, что это время можно еще сократить, если наработать навыки.

Таким образом, наша гипотеза подтвердилась, придуманное и изготовленное нами устройство сокращает время более чем в два раза и существенно облегчает труд.

Так как работать со сложными электрическими инструментами я еще не умею, устройство из металла собирал папа, под моим руководством. Мы вместе с папой разрабатывали чертеж устройства для изготовления валенок, я помогал в изготовлении макета и сам тестировал устройство и валял валенки.

2.5. Выводы

В процессе исследования мы сделали выводы:

1. 1. 1. 1. Сила трения возникает, когда одно тело движется по поверхности другого, и тела начинают цепляться друг за друга из-за неровности тел.

         2. Опытным путем выяснили:

- Чем сильнее сила прижимания тела к поверхности, тем больше их взаимодействие и больше сила трения.

- По неровной поверхности тела скользят плохо, а по гладкой поверхности лучше.

- Сила трения не зависит от площади соприкосновения тел.

3. Чтобы устройство работало эффективно, выделили ряд требований:

- при минимальных усилиях должна быть максимальная усадка;

- трение должно происходить равномерно со всех сторон;

- должна быть решена проблема усадки шерстяного полотна в виде заготовки и после натягивания его на колодки.

4. Составили эскиз, который помог в проработке макета. И для увеличения силы трения на валах создали искусственные неровности.

5. В ходе создания макета и самого устройства обнаружили и предотвратили ошибки.

Заключение.

В ходе исследовательской работы мы выполнили все поставленные задачи. Провели опыты, выяснили, что такое сила трения, когда она возникает. Выявили факторы, которые влияют на увеличение и уменьшение силы трения.

Разработали эскиз, сконструировали макет устройства из дерева. Проанализировали и учли все выводы при изготовлении устройства для валяния из металла. Протестировали его с шерстяными заготовками в реальных условиях и сделали выводы. Наше изобретение действительно сокращает время валяния валенок более чем в два раза. Наша гипотеза подтвердилась. Исследовательская работа достигла цели, мы смогли придумать и изготовить устройство для изготовления валенок и облегчили ручной труд.

Библиографический список.

1. А.В. Перышкин. Физика 7 класс -М: Дрофа, 2012г.

2. М.И.Блудов. Беседы по физике часть1 -М: Просвещение 1984г

3. В.А. Волков, С.Е. Полянский Поурочные разработки по физике к учебникам А.В. Перышкина и С.В. Громова. Москва «ВАКО» 2005.

4. www.fizika.ru

5. Элементарный учебник физики: Учеб. пособие. В 3 т. /Под ред. Г. С. Ландсберга: Т. I. Механика. Теплота, Молекулярная физика. – М.: Наука. Физматлит, 1995. - 608 с.

Приложение 1

Фото1-2. Опыт№1

Фото 3-4 Опыт №2 Фото 5 Опыт №3

Фото 6-7 Опыт №4

Фото 8-9. Опыт №5

Приложение 2

Фото 10-11. Опыт №6

Фото 12. Опыт №7

Рис.3

Увеличение силы трения за счет выпуклостей-протекторов

Фото13. Прототип валяльной машины

Приложение 3

Рис. 1-2 Эскизы макета устройства для изготовления валенок

Фото.14-17 Изготовление макета

Фото 18 Устройство для облегчения валяния валенок

Приложение 4

Рис. 19-22 Подробнее об устройстве для изготовления валенок

Фото 23-25 Тестирование устройства с войлочной заготовкой

Фото 26-28 Тестирование устройства с деревянными колодками

Приложение 5

Таблица1

Этапы создания устройства

Таблица 2

Ошибки и проблемы изготовления устройства