Определение жёсткости резины

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Хворост Д.Ю. 1

---

1МБОУ лицей № 9 г. Сальска

Гусева М.С. 1

---

1МБОУ лицей № 9 г. Сальска

Работа в формате PDF

103.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Данный проект является исследованием по физике, он касается раздела механики, а конкретно изучению проявлений упругости резины, которое выражается в её коэффициенте упругости или же жёсткости. Я попытаюсь понять всю суть явлений упругости для достижения цели своего проекта. Мы рассмотрим различные методы нахождения жёсткости. Познакомимся поближе с историей определения такой силы, как сила упругости, что расширить наш кругозор и тем самым улучшить навыки концептуализации физических явлений, что встречаются в быту повсеместно. На практике обнаружим от каких физических величин зависит жёсткость резины , что даст нам точные результаты для вынесение показаний в виде отдельной наглядной таблице.

АКТУАЛЬНОСТЬ:

Проект актуален, потому что в сети мало достоверной информации о жёсткости резины, а также жёсткости резины очень важна в работе некоторых механизмов. Также это расширит школьные знания физики.

ЦEЛЬ:

Цель всея проекта - нахождение метода определения жёсткости пружины, его нахождение и дальнейшее вынесение результатов исследования в удобной для сравнения величин таблице

ЗАДАЧИ:

1. Найти способы нахождения жёсткости на примере пружины

2. Измерить те величины, что имеют прямое влияние на показатель жёсткости резины

3. Составить таблицу жёсткости различной резины

ПРОБЛЕМА:

Годность резины для шины трудно проверить при покупке, даже магазины способны продать шины, что не приказано им долго жить, a в интернете не имеется достоверной информации о коэффициенте упругости резины, а в учебниках физики она не наличествуется, а хотя это довольно важно, от надёжности шины зависит наша собственная безопасность за рулём.

ГИПОТЕЗА:

Гипотезой в моем проекте выступает: “Можно ли определить жёсткость резины теми же способами, что и при нахождении той же константы у пружины?”

ПРИЧИНА ВЫБОРА:

Выбор темы пал именно на эту вследствие моего увлечения физикой и исследованием явлений, тем более здесь присутствует практическая польза, информация, полученная в ходе работы, может помочь моей семье в выборе шин. Отдельным предложением отмечу, что я сдаю ЕГЭ по физике, а умение

анализировать довольно хорошо скажется в процессе выполнения экзамена, это исследование поможет мне развить умение анализировать.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ:

Жёсткость резины и пружины

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ:

Различные виды резины

Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. 1 Физические основы явления упругости и жёсткость

Чтобы конкретно перейти к теме моего проекта сначала необходимо изложить ту информацию, что так или иначе будет задействована во время выполнения практической части. Данный раздел физики все из нас начали изучать в 7 классе, где нам давалось элементарное понятие об предмете разговора - коэффициенте упругости, но говорить о нем бессмысленно, пока не поймём что он из себя представляет, обратимся к закону Гука, этот закон утверждает, что  сила упругости, возникающая при деформации упругого тела (пружины, стержня, консоли, балки и т. д.), пропорциональна абсолютному значению изменения длины тела[1] и выглядит в формуле это так:

(1.1)

где x - деформация в метрах k - коэффициент упругости или же, как его ещё по-другому называют жёсткость. Стоит понимать,что данный закон работает не для всех твёрдых тел, а лишь для упругих (в противовес им - неупругие), то, на чем мы рассматривали данный закон, была самая обычная пружина, преподаватель в нашей школе также приводил примеры неупругих тел, это пластилин и т.д. Мы узнали к какому закону относят жёсткость, но в чем же заключается её физический смысл? Из той же формулы можно определить размерность нашей константы:

(1.2)

т.е измеряют его в H/м, отсюда и приходит понимание того, что он показывает какую силу, нужно нужно приложить к телу, чтобы растянуть его на 1 м, на этом материал 7 класса по этой теме закончился, в следующий раз мы встретим его в 10 классе, где познакомимся с ещё одним способом выразить коэффициент жёсткости:

(1.3)

где E - модуль Юнга (в Па),который показывает способность материала сопротивляться растяжению, сжатию при упругой деформации[2], S - площадь поперечного сечения,l0- начальная длина твёрдого тела, по сути, ничего нового в физический смысл жёсткости это не вносит, однако будет полезен при дальнейших измерениях и опытах.Можно выразить коэффициент упругости и через другие величины, его используют и при решении задач на колебания пружинного маятника:

выражая жёсткость, получим:

(1.4)

Сила упругости имеет электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия[3], отсюда понятно, почему жёсткость у разных тел разная,все зависит от молекулярного строения вещества из которого сделано тело, где-то он очень большой из-за большого взаимодействия молекул,где-то очень маленький (неупругие тела), это позволяет судить о том, что жёсткость является характеристикой данного тела, т.е его постоянным свойством. Существует и другие зависимости коэффициента упругости, например, от температуры, при высоких её значениях связи между молекулам ослабляются, вследствие чего происходить уменьшение величины жёсткости, или ещё зависимость от площади поперечного сечения, что напрямую видна из 1.3, чем толще упругое тело, тем хуже оно растягивается. Вот мы и выясняли основную информацию по поводу рассматриваемого объекта проекта - коэффициента упругости, осознаем что он означает.

1.2 Методы нахождения жёсткости пружины

Перейдём к методам определения данного коэффициента, но сразу скажу, данные методы свойственны пружинам и прочим телам, но можно ли применить их к резине ещё стоит доказать или наоборот найти новый метод, собственно можно выделить два основных, начнём с первого, его называют статическим методом определения коэффициента упругости, для него потребуется обычная линейка, динамометр, набор грузов и бумага с ручкой для записи результатов опыта, теперь перейдём к самому методу, его суть проста, сперва подвесим упругое тело и к нему же присоединим груз на динамометр, он покажет нам силу, которая действует на пружину, далее измерим линейкой, на какое расстояние деформировалось упругое тело, а потом по формуле 1.2 жёсткости пружины найти её и так несколько раз для грузов разной массы, данный способ самый распространённый, его используют на том же ОГЭ по физике, он совмещает в себе множество плюсом, масса упругого не даёт большой погрешности при вычислениях, также не требуется никакого особого оборудования[4]. Другое дело динамический метод, он требует почти то же оборудование (динамометр, грузы), но из названия понятно, что он отличается сильно, тут нам поможет секундомер, так как здесь пригодится формула 1.4, нам необходимо измерить массу тела, а затем заставить его колебаться вверх-вниз, возьмём минуту и будем считать количество колебаний за эту минуту и так несколько раз для пущей уверенности в результатах, после этого находим период колебаний и через него уже находим нами желанную жёсткость, данный способ имеет одно важное ограничение для моей цели, он подходит лишь для пружинных маятников, резина же вряд ли захочет колебаться, а если и заставить, то такие колебания вскоре затухнут, также данный метод очень чувствителен к массе самого упругого тела, в отличие от статического метода. Вот и названы основные методы определения коэффициента упругости[5].

1.3 Резина

Перейдём к другой стороне вопроса моего проекта, а именно к резине, о ней тоже стоит сказать несколько слов, ведь её свойства могут сыграть свою роль в нахождении метода определения коэффициента упругости самой резины. Но как следует классифицировать резину? Самым простым разбиением будет на натуральную, что можно сделать из латекса каучукового дерева, и на искусственную (бутадиен, стирол, изопрен), что синтезируется в промышленных масштабах. Важно понимать, что все и та и другая резина является веществом первым делом состоящим из полимеров, молекулы которых очень крепко связаны, но почему тогда некоторые резины отличаются от других? Вот тут-то и необходима другая классификация на мягкие, пористые и твёрдые, если первые очень эластичны, то вот последние совсем не способны растягиваться (например, эбонит). Существует и разделение резины на типы: морозостойкая, термостойкая, агрессиво-стойкая и т.д, т.е в зависимости от того, в каких условиях она способна совершать свои функции. Но почему резина так разнится, даже резина из одного каучука может быть в одно в время и мягкой, а в другое время твёрдой, это все зависит от степени вулканизации или же количества дисульфидных мостиков, чем их больше, тем тверже резина, твёрдость некоторых резин может довольно сильно повлиять на ход измерения их жёсткости, как правило связи между молекулами твёрдых резин намного сильнее из-за чего необходимо прилаживать силы огромных значений для деформации на доли сантиметра. Поэтому важными факторами,определяющих коэффициент упругости являются количество серы и способ вулканизации, природа каучука из которого была сделана резина и различные наполнителей,что способны делать резину более пригодной для использования в различных ситуациях. [6]

Глава 2.Практическая часть

Для доказательства своей гипотезы я использовал установку из штатива, резины, лёгкой нити, гирек массой по 100 г каждая и линейку. Я подвесил резину на штатив, а к резине - грузики, провёл ряд опытов, изменяя количество грузов, т.к нить лёгкая, сила упругости равна по модулю силе тяжести подвешенных грузиков. Измеряю растяжение резины для всех опытов. Тогда из формулы я нахожу жёсткость для каждого случая. По итогу я получил данные результаты:

Результаты для первой резины

1.

Первая резина (Таблица)

Можно видеть из таблицы, что жёсткость резины постоянна во всех опытах

Это на графике выглядит так:

2.

Первая резина (График)

Результаты для второй резины:

3.

Вторая резина (Таблица)

У данной резины наблюдается изменение жёсткости, это связано с остаточной деформацией.

На графике это выглядит так:

4.

Вторая резина (График)

Заключение

На основе проделанных мной опытов можно сделать некоторые выводы. На примере первой резиной можно пронаблюдать, что закон Гука для неё выполняется, что соответствует моей гипотезе, в то же время существует другая ситуация со второй резиной, где коэффициент жёсткости сначала был одинаковый, но с увеличением удлинения становился меньше, что свидетельствует об остаточной деформации, которая для многой резины свойственна. Моя гипотеза доказана частично, можно использовать закон Гука для измерения жёсткости резины, но в то же время жёсткость будет меняться из-за остающихся после растяжения/сжатия деформаций.

Говоря о практическом использовании коэффициента жёсткости можно сказать о мембранных насосах, где он прямо определяет долговечность и производительность, другим примером будет служить виброизоляторы, где жёсткость резины влияет на то, как сильно она будет гасить вибрации, ещё можно сказать о резиновых уплотнителях дверей, для них важна средняя жёсткость, так дверь будет оставаться легко открываемой и при этом относительно долговечной. У резины, возможно, не так много применений, но все же она остаётся важным материалом в некоторых областях промышленности. Жёсткость же резины прямо влияет на её качество и долговечность, поэтому важно понимать, насколько жёсткая резина.

Список использованной литературы

[1] Закон Гука [Электронный ресурс]

URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D0%93%D1%83%D0%BA%D0%B0

(дата обращения: 07.01.26)

[2] Модуль Юнга [Электронный ресурс]

URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BB%D1%8C_%D0%AE%D0%BD%D0%B3%D0%B0

(дата обращения: 07.01.26)

[3] Сила упругости [Электронный ресурс]

URL:

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BB%D0%B0_%D1%83%D0%BF%D1%80%D1%83%D0%B3%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8

(дата обращения: 07.01.26)

4. Какие существуют способы измерения жёсткости пружины в домашних условиях? [Электронный ресурс]

URL:https://ya.ru/neurum/c/nauka-i-obrazovanie/q/kakie_suschestvuyut_sposoby_izmereniya_zhestkosti_8776e101

(дата обращения 07.01.26)

[5] Как определить жёсткость пружины используя колебания подвешенного к ней груза известной массы? [Электронный ресурс]

URL:https://uchi.ru/otvety/questions/kak-opredelit-zhestkost-pruzhiny-ispolzuya-kolebaniya-podveshennogo-k-ney-gruza-izvestnoy

(Дата обращения: 07.01.26)

[6] Резина [Электронный ресурс]

URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D0%BD%D0%B0#%D0%A0%D0%B0%D0%B7%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8_%D1%80%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D0%BD

(дата обращения 07.01.26)