Летучие идеи: пневмопочта своими руками

XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Летучие идеи: пневмопочта своими руками

Коровяков М.С. 1
1МАОУ "Волковская СОШ"
Власова Ю.В. 1
1МАОУ "Волковская СОШ"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Актуальность: пневмопочта, которая представляет собой систему для быстрой и надежной передачи небольших предметов с помощью сжатого воздуха, остается актуальной в наши дни по нескольким причинам: эффективность и скорость, надежность и безопасность, автоматизация и внедрение в различные системы, широкий спектр применения. Пневмопочта используется в разных отраслях, включая: здравоохранение, банковское дело, торговля, производство, офисы и предприятия.

Проблема: давление газов в замкнутом пространстве изучают на уроках физики, однако не все знают, как можно применить эти знания в быту.

Цель: изучить принцип работы пневмопочты, и создать собственную модель этой системы для передачи мелких предметов.

Объект: рабочие газы – атмосфера Земли (воздух).

Предмет: применение давления газов в замкнутом пространстве на практике – устройство, способное перемещать с помощью давления газов мелкие предметы.

Задачи:

  1. Изучить теоретические сведения о давлении газов.

  2. Изучить принцип работы пневмопочты.

  3. Выбрать подходящие материалы для создания модели.

  4. Спроектировать схему сборки рабочей системы.

  5. Собрать и протестировать систему.

  6. Найти способы применения устройства в быту.

  1. Теоретический материал по теме «Давление газов в замкнутом пространстве».

Пневмопочта — это система, которая использует силу воздуха для перемещения капсул с письмами или небольшими предметами по трубам. Чтобы понять, как работает пневмопочта, важно знать о давлении газов в замкнутом пространстве. В этом разделе рассматриваются основные понятия, связанные с давлением газов, и как эти знания применяются в пневмопочте.

Что такое газ и давление?

Газ — это агрегатная форма вещества, которая не имеет собственного объёма и формы. Он принимает форму и объём сосуда, в котором находится. Молекулы газа двигаются хаотично во всех направлениях и заполняют всё доступное пространство.

Давление газа — это сила, с которой молекулы газа ударяются о стенки сосуда. Чем больше молекул и чем быстрее они движутся, тем больше давление.

Как возникает давление в газе?

Молекулы газа постоянно двигаются и сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Эти столкновения создают давление на стены сосуда. Давление распределяется равномерно по всей поверхности стенок.

Факторы, влияющие на давление газа

1. Температура: При повышении температуры молекулы газа движутся быстрее, что приводит к более частым и сильным ударам о стенки сосуда. Это увеличивает давление.

2. Объём: Если объём сосуда уменьшается (молекулы газа сжимаются), то молекулам становится меньше места для движения, и они чаще сталкиваются со стенками. Это тоже увеличивает давление.

3. Количество газа: Увеличение числа молекул газа в замкнутом пространстве (например, накачка воздуха в шарик) приводит к возрастанию давления, так как больше молекул ударяется о стенки сосуда.

Закон Бойля-Мариотта.

Этот закон описывает связь между давлением и объёмом газа при постоянной температуре:

Формулировка: При постоянной температуре произведение давления газа на его объём остаётся постоянным.

Математически: P × V = const, где P — давление, V — объём.

Это значит, что если объём газа уменьшается, то давление увеличивается, и наоборот.

Для изучения закона Бойля-Мариотта и графического представления зависимости давления от объема газа было использовано оборудование центра «Точка Роста»: вакуумный поршень (шприц), мультидатчик, программное обеспечение «НауЛаб».

Простой эксперимент.

Надувание шарика: когда вы надуваете шарик, вы увеличиваете количество воздуха внутри него. Молекулы воздуха ударяются о внутренние стенки шарика чаще и с большей силой. Давление внутри шарика увеличивается, и он расширяется.

Этот пример показывает, как добавление газа в замкнутое пространство увеличивает давление. Таким образом, понимание того, как давление газов в замкнутом пространстве влияет на объекты, позволяет создавать различные устройства, включая пневмопочту. Изучая эти принципы, можно лучше понять законы физики и применить их на практике, создавая модели и экспериментируя с ними.

  1. Пневматическая почта.

    1. Принцип работы.

Пневматическая почта — инженерная система, предназначенная для транспортировки небольших грузов со скоростью до 8-12 метров в секунду, по трубопроводу, под давлением воздуха. Пересылка осуществляется между станциями, в специальных контейнерах. Конфигурация пневмопочты зависит от конкретных задач — от простой, на две станции приема-передачи, до разветвленной системы, с большим количеством линий и обширным настраиваемым функционалом, которая может охватывать несколько этажей и отдельно стоящих зданий.

В пневмопочте используется разница давлений для перемещения капсул по трубам. Вот как это работает:

1. Создание разницы давлений: С одной стороны трубы создаётся повышенное давление (нагнетанием воздуха), а с другой стороны — пониженное (откачкой воздуха или открытым выходом).

2. Движение воздуха: Воздух стремится переместиться из области с высоким давлением в область с низким давлением.

3. Перемещение капсулы: Поток воздуха толкает капсулу, и она движется по трубе вместе с воздухом.

2.2 Элементы пневмопочты.

Путевая трасса.

В

Рисунок 1. Путевая трасса

качестве путевой трассы [Рисунок 1] в системе пневмопочты используются трубы диаметром от 63 до 315 мм. Самые распространенные — 110 и 160 мм.

Воздуходувка (насос)

Д

Рисунок 2. Воздуходувка

ля создания давления или вакуума в современной пневмопочте применяются вихревые воздуходувки [Рисунок 2]. В системе может быть несколько линий. Для каждой линии требуется как минимум одна воздуходувка.

Станции

С

Рисунок 3. Станция

танции, или терминалы, относятся к основному оборудованию системы пневмопочты, именно со станциями непосредственно контактирует пользователь. [Рисунок 3]

Стрелки

П

Рисунок 4. Стрелки

ереводящие устройства — стрелки [Рисунок 4] предназначены для разветвления трассы, смены направления движения контейнеров и перемещения их между линиями, для изменения точки забора воздуха.

Датчики.

Магнитные, оптические, механические – применяются для корректного позиционирования устройств и для отслеживания контейнеров во время транспортировки. Устанавливаются в корпусах оборудования и на внешних участках трассы.

Контейнеры

Контейнеры или капсулы пневмопочты – это перевозчики, «транспорты», емкости для грузов пользователя.

Управление (контроллер)

Контроллер – блок управления (мини компьютер). Чаще всего включает от 2-х до 4-х станций. Обладает минимально необходимым функционалом.

2.3 Этапы в работе пневмопочты.

1. Загрузка.

Для отправки пользователь загружает контейнер в приемный отсек станции и вводит на клавиатуре панели управления адрес получателя, или нажимает клавишу адресата на пульте. Возможна функция автоматической отправки, без необходимости ввода адреса назначения и подтверждения отправки.

2. Подготовка системы

Транспортировка начинается сразу или заявка регистрируется в очереди, если пневмопочта занята. В системах с количеством станций более двух, перед началом отправки производится позиционирование устройств для построения маршрута.

3. Запуск и транспортировка

Только после успешного завершения позиционирования, автоматическая станция загружает контейнер в путевой трубопровод. Далее включается воздуходувка, а воздушная стрелка задает направление потока воздуха, в зависимости от направления пересылки по маршруту.

4. Завершение

После выгрузки контейнера на станции назначения, пневмопочта переходит в режим ожидания или приступает к следующей транспортировке.

  1. Изготовление опытного образца.

Для изготовления рабочего прототипа пневмопочты мы подготовили необходимые материалы:

  1. В качестве путевой трассы использовалась мягкая полиуретановая прозрачная трубка [Рисунок 5] диаметром 8 мм. Прозрачность трубки позволяет наблюдать за движением груза внутри системы.

Рисунок 5. Прозрачная трубка

  1. Соединение и разветвление труб выполнено с помощью пневматических фитингов. Это позволяет экспериментировать с формой трассы: прямой участок, поворот, подъем, развилка. Соединение с помощью пневматических фитингов [Рисунок 6] делает стыковку труб герметичной, позволяет легко присоединять и отсоединять трубки.

Рисунок 6. Пневматический фитинг

  1. Запорный клапан [Рисунок 7] герметизирует систему и является пунктом приёмки или отправки груза. В зависимости от того, какой клапан находится в работе, осуществляется выбор маршрута доставки капсулы.

Рисунок 7. Запорный клапан

  1. Вакуумный насос [Рисунок 8] выполняет функции воздуходувки, создает в системе рабочее давление или вакуум в зависимости от выбора схемы работы установки, маршрута капсулы.

Рисунок 8. Вакуумный насос

  1. Рабочая система прототипа пневмопочты создана без узла автоматизации (контроллера), поэтому для включения системы в работу необходим пистолет [Рисунок 9], соединяющий вакуумный насос с запорным клапаном.

Рисунок 9. Пистолет

Описание работы демонстрационного прототипа пневмопочты [Рисунок 10]:

Перед началом работы необходимо выбрать маршрут следования капсулы (рабочего тела – шарик диаметром 5 мм). В данном прототипе пневмопочты несколько маршрутов: А-1, А-2, В-1, В-2, С-1, С-2. Шарик загружается в трубку А, В или С, в пневматический фитинг вставляется трубка подачи сжатого воздуха, включается вакуумный насос, шарик под действием давления сжатого воздуха движется по трубке и приходит в пункт 1 или 2. Для того, чтобы шарик пришел в конкретный пункт назначения (1 или 2), необходимо использовать другой принцип – создание зоны низкого давления (вакуума). В этом случае шарик также загружается в трубку А,В или С, затем к запорному клапану 1 или 2 (по выбору) присоединяется пистолет и включается вакуумный насос. Происходит откачка воздуха из сиситемы, создается разрежение, возникает тяга. Под действием тяги шарик движется по системе и приходит в конкретный пункт назначения, к которому подсоединен пистолет.

 

2

1

С

В

А

ТРУБКА-ПОДАЧА СЖАТОГО ВОЗДУХА

 

ПИСТОЛЕТ

 

ВАКУУМНЫЙ НАСОС

Рисунок 10. Рабочий прототип пневмопочты

  1. Заключение

Пневмопочта – это увлекательная и многогранная тема. Изучение этого изобретения позволило узнать много нового о развитии технологий в прошлом и о том, как люди искали способы ускорить доставку грузов и почты. Оказалось, что принцип работы пневмопочты довольно прост, но эффективен. Проект позволил научиться работать с новыми материалами, приспособлениями, устройствами, инструментами, которые связаны с работой пневматических агрегатов. Созданная модель пневмопочты может быть усовершенствована. В процессе тестирования и доработки стало понятно, что всегда есть возможность для улучшения и оптимизации конструкции. Разработанный, в ходе проекта, прототип пневмопочты, можно использовать в быту для облегчения ухода за сельскохозяйственными животными. По трубопроводу можно подавать разнообразные сыпучие корма, воду. Если систему оснастить контроллером (блоком управления), то человеку можно управлять ей, не выходя из дома.

Список литературы:

1.Пёрышкин А.В. Физика. 7 класс. Базовый уровень. Учебник ФГОС — М.: Просвещение, 2023.

2. Громов С.В., Родина Л.С. Физика вокруг нас. — М.: Просвещение, 2013

3. Вировец Ю.А., Физика вокруг нас. – М.: Пешком в историю, 2022

4. Лебедев Д.С., Трофимович А.Г., Пневмоавтоматика. Учебное пособие – СП.: ООО «ЭсЭмСи Пневматик», 2018

5. Перельман Я.И., Занимательная физика – М.:ЭКСМО, 2022

Просмотров работы: 21