XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Гидравлические машины (разработка гидравлического манипулятора для образовательных целей)

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Аладашвили Е.М. 1Левшин С.С. 1

---

1ГБОУ Школа №1420

Гришина Т.А. 1

---

1ГБОУ Школа №1420

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире широкое распространение получили гидравлические машины или гидравлические системы.

Гидравлические машины используются и идеально подходят, когда задействованы большие силы или крутящий момент: при дроблении или прессовании материалов, рытье, подъеме и перемещении больших объемов земли.Использование гидравлических систем постоянно увеличивается, несмотря на возможность использования других систем, таких как: электрическая, пневматическая и механическая системы.

Летом этого года в Лужниках зрителям было представлено уникальное «Экскаватор-шоу». Машинист экскаватора заставляет многотонную технику с ювелирной точностью исполнять практически цирковые трюки. На глазах изумленных гостей и журналистов специалист, управляя ковшом экскаватора, режет яблоки, разливает минералку и закрывает спичечные коробки. «Экскаватор-шоу» можно было посмотреть на федеральных и городских телеканалах.

Увиденное шоу послужило толчком в изучении темы и написании проекта «Гидравлические машины». Я рассказала об увиденном одноклассник у, и мы решили поработать над этой темой, так получился этот проект. (Приложение №1)

Почему гидравлическая система получила широкое распространение? Существует несколько причин. Гидравлическая система имеет ряд несомненных преимуществ:

• большинство гидравлических систем являются простыми, безопасными и эффективными, поскольку они используют меньше движущихся частей с меньшим количеством опасных элементов по сравнению с другими системами (например, электрическими).

• гидравлические системы являются более эффективным передатчиком мощности. Использование простых рычагов и кнопок позволяет легко запускать, останавливать, ускорять и замедлять гидравлическую мощность, что позволяет осуществлять непосредственное управление.

Цель: узнать, как работает гидравлическая система на практике.

Гипотеза:предположим, что гидравлическая система является универсальной, эффективной и простой при передаче энергии.

Объект исследования: гидравлические системы.

Предмет исследования: работа гидравлических систем.

Задачи:

• собрать действующую модель гидравлической системы и продемонстрировать ее работу одноклассникам, используя готовый конструктор;

• узнать, как работает гидравлическая система на практике;

- обобщить, систематизировать отобранный материал.

Методы исследования:

• анализ соответствующей литературы,

• сборка модели и демонстрация принципов работы гидравлической системы одноклассникам;

• проведение опросов среди одноклассников;

• обобщение и анализ полученных результатов.

• сформулировать плюсы и минусы гидравлических систем.

Работа выполнялась в течении 4 месяцев в несколько этапов: изучение и сборка информации по теме, сборка моделей, опыты, выводы.

2. Гидравлические системы

   1. Историявозникновениянауки

Наука, которая занимается передачей энергии при помощи жидкости называется гидравлика. Это слово произошло от греческого «hydros» - «вода».

Гидравлика является молодой наукой - всего около несколько сотен лет. Некоторые принципы были установлены ещё Архимедом, Леонардо да Винчи, которые проводили первые опыты в гидравлике.

Тысячи лет назад египтяне строили каналы и использовали воду из реки Нил для орошения полей. Ученый Архимед придумал винт Архимеда – устройство для подъема воды. Римляне строили акведуки – специальные водопроводы, чтобы доставлять воду в города.

17 век французский ученый Блез Паскаль открыл закон Паскаля, который объясняет, как жидкость передает давление во все стороны. Это стало основой для современной гидравлики. 18-19 века появились первые гидравлические прессы, а позже – машины, которые используют силу жидкости для работы. 

В 20 веке изучением гидравлики занимался "отец русской авиации" Николай Егорович Жуковский.

1. 2. Пользагидравлических систем

Гидравлические системы позволяют поднимать тяжелые предметы, управлять машинами и механизмами (например, в строительстве, транспорте и медицине), делая работу легче и безопаснее. Гидравлические устройства также широко используются в быту, что позволяет выполнять работу быстрее без применения огромных физических усилий.

Примеры использования гидравлики в различных отраслях:

3. Исследования

3.1. Работа гидравлической системы на практике

3.1.1Как образуется механическая сила в гидравлических системах?

(Первый эксперимент)

рис.1

В первом эксперименте (рис.1) мы объясним отчего зависит происхождение механической силы, которая влияет на работу в гидравлических машинах.

Возьмем целлофановый пакет, проделаем несколько отверстий. Нальем воды и немного надавим. Напор вытекающих струй увеличится. Причем вода будет вытекать из всех отверстий сразу. Объяснение эксперимента: Почему же так происходит? Все дело в строении вещества. В отличие от твердых тел отдельные молекулы жидкости могут перемещаться относительно друг друга по всем направлениям. Частицы воды, находящиеся в пакете, уплотняясь при надавливании, передают давление другим слоям жидкости, заполняющей пакет. Таким образом, давление передается в каждую точку жидкости согласно закону Паскаля, который гласит, что давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменения во всех направлениях. Применение рассматриваемого явления в жизни и быту: закон Паскаля лежит в основе работы таких устройств как гидравлические прессы, гидравлические подъемники, опрыскиватели, в пневматической системе водоснабжения, водометов, а также в гидравлических тормозах автомашин. При выдавливании краски для волос при окрашивании в парикмахерских используют специальные устройства для того, чтобы выжать краску из тюбика. При надавливании рукой на тюбик краска по закону Паскаля будет передавать давление в разных направлениях, и, если не применять это устройство, то краску полностью не получиться выдавить.

Если вы нажмёте на сжатую жидкость, возникнет давление. Также, как и в случае с шиной, давление одинаково в каждой точке бочки, содержащей жидкость. Если давление слишком велико, бочка может сломаться. Бочка сломается в слабом месте, а не там, где больше давление, потому что давление одинаково в каждой точке. (Приложение № 2)

3.1.2 Второй эксперимент

Цель второго эксперимента продемонстрировать как гидравлические системы(элементы) используются для передачи механической энергии с одного места в другое.

Для первого практического эксперимента была выбрана несложная в сборке и наглядная в работе опытная модель гидравлического ковша. Система управления ковшом основана на управлении поршнями шприцев. Один из которых отвечает за подъем стрелы ковша, второй шприц за движение ковша вперед/назад. Третий шприц отвечает за создание давления в системе. Шприцы наполнены водой. Нажимая на поршень шприца, в системе создается давление, необходимое для перемещения и подъёма ковша. На наглядном примере можно наблюдать, как один вид энергии (движение жидкости под давлением) преобразуется в другой вид (энергию движения), что позволяет управлять ковшом модели. (Приложение № 3)

3.1.3 Третий эксперимент

Для второго практического эксперимента была выбрана усложнённая модель гидравлического манипулятора по принципу манипулятор-рука.

Результаты второго эксперимента в Приложении № 4 «Коллаж. Проведение исследования». Здесь модель немного сложнее первой по устройству. После сборки мы могли перемещать стаканчик и другие предметы.

3.2 Анкетирование

Среди учеников 4-х классов нашего корпуса (2А, 2И, 2М, 3З) было проведено анкетирование с целью выяснить, есть ли у одноклассников понимание:

1.Что такое гидравлика?

Варианты ответов:

• планета солнечной системы;

• название нового фильма о пришельцах;

• наука о движении жидкостей в инженерных целях.

2. Где используются гидравлические машины?

Варианты ответов:

• везде;

• только в технике;

• в космосе;

• в быту.

Результаты анкетирования (диаграммы) изложены в Приложении № 5

3.3 Опрос

Среди учеников 4-х классов нашего корпуса (2А, 2И, 2М, 3З) был проведен опрос. Были сформулированы и заданы такие вопросы:

• знаете вы, что такое гидравлические машины?

• можно в домашних условиях собрать модель гидравлической машины?

Результаты опроса (таблицы) изложены в Приложении № 6

3.4 Выводы исследования: плюсы и минусы гидравлических систем.

На основании результатов, полученных после изучения литературы, проведения наглядных опытов и наблюдения, были сформулированы плюсы и минусы использования гидравлических систем в виде сравнительной таблицы. (Приложение №7)

4. Заключение

Вывод: Гипотеза подтвердилась. Гидравлическая система является универсальной, эффективной и простой при передаче энергии. Это подтверждается практическим опытом их применения. Преимущество гидравлической системы – малая сила может управлять большой силой!

5. Список использованной литературы

1. Гидравлика. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гидравлика.

2. Детская энциклопедия. Техника. Гидравлические двигатели. http://de-ussr.ru/tehnika/energiya/gidravlik.html

3. Музей фактов. Интересные факты о гидравлике. http://muzey-factov.ru/tag/hydraulics

Приложение №1

Наблюдение

Фото 1

Фото 2

Коллаж. Экскаватор-шоу.

Приложение № 2

Эксперимент № 1

Рис. 1 Фото 1

Фото 2

Таким образом, давление передается в каждую точку жидкости согласно закону Паскаля, который гласит, что давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменения во всех направлениях.

Приложение № 3

Работа гидравлической системы на практике (Эксперимент №2)

Для первого практического эксперимента использовался конструктор «экскаватор-ковш». С помощью конструктора можно научиться основам конструирования (сборка модели) и познакомиться с законами механики «гидравлики» (перемещение предметов при помощи управления ковшом).

Коллаж. Проведение исследования

Таким образом, можно продемонстрировать перемещение гидравлического ковша с грузом или без, который можно опускать и поднимать, используя для этого только воду и сообщающиеся между собой шприцы. Можно сделать вывод, что малая сила может управлять большой силой! Нажимая одним пальцем руки на поршень шприца, можно поднимать и опускать грузы в ковше собранной модели.

Приложение № 4

Эксперимент №3

Фото 1 Фото 2

Коллаж. Проведение исследования

Вторая модель также управляется при помощи шприцев, наполненных водой (8 штук) и может совершать действия, имитируя движение человеческой руки. Чтобы запустить работу робота необходимо надавливать на штоки поршней больших шприцев, установленных на основании модели. Рука- манипулятор может совершать круговое движение вокруг своей оси, движение верх/низ, движение вперед/назад, движение захват. Как показал эксперимент с помощью такого манипулятора можно с легкостью переместить предмет на небольшое расстояние без помощи рук.

Приложение №5

Анкетирование

Результаты анкетирования

Таким образом, из диаграммы можно сделать вывод, что 77 учеников (90%) знакомы с таким понятием как гидравлика, тогда как 9 учеников (10)% еще не имеют представления о таком разделе физики.

Таким образом, из диаграммы можно сделать вывод, что 35 учеников (41%) считают, что гидравлические машины наиболее широко применяются в специальной технике и в космической отрасли, тогда как 51 ученик (59%) считают, что гидравлические устройства используются только в быту. Правильный ответ – везде, получен не был.

Можно сделать обобщённый вывод, что в целом ученики начальной школы имеют первичное представление о гидравлических машинах, однако, для более глубокого понимания темы требуется ее дальнейшее изучение.

Приложение №6

По результатам опроса можно сделать следующие выводы: только 34% опрошенных имели представление о том, что такое гидравлические машины.

Однако после того, как ученики получили информацию о гидравлических машинах и их применении, 70% опрошенных уверено ответили, что домашних условиях возможно собрать модель гидравлической машины.

Приложение 7

Плюсы и минусы гидравлических систем

На основании результатов, полученных после изучения литературы, проведения наглядных опытов и наблюдения, я сформулировала плюсы и минусы в использовании гидравлических систем в виде сравнительной таблицы.