Исследование сыпучих материалов и особенности их воздействия на строительные конструкции (хранилища)

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

Личный портфель

Исследование сыпучих материалов и особенности их воздействия на строительные конструкции (хранилища)

Толстых М.А. 1
1МОУ школа №8
Бычкова С.В. 1
1МБОУ школа №8 г. Жуковский
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

  1. Введение

Развитие сельского хозяйства, производства цемента и продуктов химической промышленности говорит о необходимости решения вопросов, касающихся давления зерна и различных сыпучих материалов на ограждающие поверхности хранилищ. Ответы на эти, а также многие другие вопросы мы найдем, изучив механику сыпучих тел.

Возникновение и развитие механики сыпучих тел, так же, как и других разделов механики, связано с развитием техники. Известно, что начало изучения механики сыпучих тел положено работами Леонардо да Винчи (1452 -1519гг.) и Галилео Галилея (1564 – 1642гг.). Несколько позднее в ХVII в., зарождается механика сыпучих тел, связанная с задачами строительства и фортификации.

Несмотря на свою более чем двухвековую историю, механика сыпучих тел еще находится в периоде интенсивного развития.

Мне стало интересно, какие нагрузки испытывает хранилище при нахождении в нем сыпучего материала? В чём отличие нагрузок на хранилища от сыпучих материалов и от жидкости?

Цель работы: изучить свойства и поведения сыпучих материалов для применения полученных знаний при строительстве хранилищ.

Задачи

  1. Изучить информацию по теме проекта;

  2. Собрать модель хранилища;

  3. Изучить поведение сыпучих материалов в хранилищах;

  4. Провести сравнение полученных результатов по различным сыпучим материалам;

  5. Сформулировать основные требования к конструкциям хранилищ для сыпучих материалов;

  6. Сделать выводы.

Объект исследования

Различные сыпучие материалы:

  1. Крупа гречневая;

  2. Крупа пшенная;

  3. Крупа манная;

  4. Песок сахарный.

Гипотеза

Давление сыпучего материала на дно хранилища не увеличивается с увеличением уровня его заполнения.

  1. Основная часть

Материалы, которые состоят из множества отдельных частиц и свободно пересыпаются и не связаны между собой — это сыпучие материалы. Они обладают способностью легко изменять форму под действием внешних сил, не теряя при этом своих физических свойств. К таким материалам относятся песок, керамзит, шлак, гравий, щебень, различные виды строительных смесей и наполнителей, а также различные виды зерновых культур. Сыпучие материалы легко пересыпаются, что делает их удобными для перевозки, хранения и использования. Именно за это их ценят в строительстве, на дорогах, в сельском хозяйстве, промышленности и при благоустройстве участков. Они легко укладываются, точно дозируются и равномерно распределяются. Это удобно, быстро и эффективно.

Однако в школьном курсе физики обычно изучают три основных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. В качестве четвертого состояния добавляется плазма. Но если речь идет не о веществах, а о материалах, картина сразу же заметно усложняется. Например песок: отдельные песчинки, являются твердыми телами, но сам песок совсем не похож на твердое тело. Он может течь как жидкость, но из жидкости нельзя насыпать горку, а из песка можно. Таким образом можно сказать, что песок обладает своими собственными механическими свойствами.

Изучением этих свойств мы и займемся.

В се мы знаем, что давление воды на дно сосуда растет пропорционально ее уровню.

А сейчас мы посмотрим, что будет, если вместо воды в этот сосуд насыпать сыпучий материал.

  1. Практическая часть

Основа этой установки составляет цилиндр, а внизу под цилиндром находятся весы. На весах расположена ёмкость и крышка с бортиком (чтобы сыпучее тело не рассыпалось). Между цилиндром и крышкой имеется небольшой зазор, чтобы вес цилиндра не передавался на весы. Показания весов я обнулю в начале опыта, чтобы не учитывать вес ёмкости и крышки.

Будем засыпать внутрь цилиндра стаканчик за стаканчиком и смотреть, как возрастают показания весов по мере того, как увеличивается уровень и вес насыпанного в цилиндр сыпучего материала.

Полученные результаты запишем в таблицу и построим графики зависимости веса насыпанного в цилиндр сыпучего материала от количества стаканчиков.

Синими точками на этом графике показан полный вес засыпанного в цилиндр сыпучего материала, а оранжевыми точками - сила, с которой сыпучий материал давит на весы.

  1. Заключение

    1. Анализ полученных результатов

На первых стаканчиках синие и оранжевые линии практически совпадают, но с каждым следующим стаканчиком сила давления становится несколько меньше, чем вес засыпанного материала, и с каждым следующим стаканчиком эта разница увеличивается.

Полный вес сыпучего материала продолжает нарастать пропорционально числу стаканчиков, а сила давления растет все медленнее и медленнее.

Куда исчезла часть веса?

Когда мы насыпаем первую порцию материала, весь ее вес приходится на дно цилиндра (весы).

Рассмотрим, что происходит, когда цилиндр заполнен на достаточно большую высоту.

Возьмём какую-нибудь песчинку. Ее вес распределяется на песчинки, лежащие под ней, и возникающие при этом силы направлены не вертикально, а наклонно.

Дальше перераспределенные силы могут наклониться еще сильнее, и в результате песчинки вблизи стенок прижимаются к этим стенкам. А так как эти песчинки проталкиваются вниз, на них действует сила трения, направленная вверх. Таким образом верхние слои сыпучего материала поддерживаются этой силой трения и почти не создают дополнительного давления на дно сосуда.

    1. Выводы

Из анализа полученных результатов можно сказать, что вес сыпучих материалов распирается в боковые стенки хранилища и основная нагрузка приходится не на дно, а на боковые стенки.

Таким образом можно сформулировать основные требования к конструкциям хранилищ для сыпучих материалов:

  • нагрузки на хранилища от хранимого сыпучего продукта следует определять для максимального уровня заполнения;

  • при определении нагрузок следует использовать верхние значения удельного веса сыпучего продукта;

  • каждой нагрузке должны соответствовать свои значения коэффициента трения материала о стенки хранилища;

  • применять конструкции для соответствующих продуктов хранения.

6. Список использованных источников и литературы

  1. СП 359.1325800.2017 «Силосы стальные вертикальные цилиндрическое для хранения сыпучих продуктов».

  2. СП 108.13330.2012 «Предприятия, здания и сооружения по хранению и переработке зерна»

  3. https://stroyform-nn.ru/articles/chto-takoe-sypuchie-materialy/

  4. https://vesgroup.ru/poleznoe-o-vesah-i-vzveshivanii/material/

ПРИЛОЖЕНИЕ

Просмотров работы: 4