V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Как и почему менялась форма поезда с увеличением общей скорости движения
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
В начале второго класса мы были с экскурсией на Приволжской детской железной дороге. Там нам рассказывали про историю возникновения и развития железных дорог в России, показывали разные типы паровозов и локомотивов. Я обратил внимание, что форма современных поездов отличается от тех, которые перевозили составы в начале ХХ века. Экскурсовод сказал, что это связано с техническим прогрессом, в том числе, с увеличением скорости. Я решил разобраться, как же скорость может повлиять на форму поезда.
Так как технический прогресс не стоит на месте, идет постоянное развитие науки и техники, а, значит, и борьба за увеличение скорости, то вопрос влияния скоростей на форму поездов очень актуален. Как же связаны эти два фактора? Чтобы узнать ответ на этот вопрос, мне нужно решить следующие задачи:
Узнать историю возникновения железных дорог в России и мире. Выяснить, какие паровозы, тепловозы и электровозы ставили рекорды скорости. Рассмотреть их форму.
Провести свое исследование различных форм поездов.
Для проведения своего исследования я выбираю такой метод, как эксперимент. Так как я занимаюсь в секции 3D моделирования и умею пользоваться программами для 3D моделирования, я решил сделать три модели поездов различных форм. С помощью них я надеюсь в конце работы получить ответы на свои вопросы.
1. История возникновения железной дороги.
Для начала, я решил узнать, когда появились железные дороги и какие паровозы, тепловозы и электровозы ставили рекорды скорости.
Наша страна, Россия, является самой большой в мире, ее протяженность с запада на восток составляет больше 10 тысяч километров, и всегда остро стоял вопрос дорог и перевозки людей и грузов на большие расстояния.
Рис. 1. Протяженность России с запада на восток 10000км.
Надо отметить, что первые железные дороги появились в Европе в начале XIX века, в Англии и Германии. В России того времени также понимали важность такой удобной транспортной системы и озаботились вопросом ее создания. История железных дорог в России начинается в 1830-х годах, когда началась разработка Царскосельской железной дороги. Она была открыта в 1837 году и имела маршрут от Санкт-Петербурга до Царского Села. Максимальная скорость поезда не превышала 64 километра в час, но для того времени это было очень много.
2. История установления рекордов скорости различными типами поездов.
Только спустя сто лет, в 1930-х годах, когда произошел бурный рост автомобилестроения, и у железных дорог появился серьезный конкурент, железнодорожные компании стали разрабатывать более мощные паровозы. Одним из самых скоростных локомотивов 1930-х годов был «Летучий шотландец» - паровоз, построенный в Великобритании. В 1934 году он установил рекорд скорости среди локомотивов, разогнавшись до 160 километров в час.
Рис. 2. Паровоз «Летучий шотландец».
Рекорд скорости «Шотландца» продержался два года, вскоре его побил немецкий локомотив, его рекорд 199 км/ч. А в 1938 году новый британский паровоз «Маллард» разогнался до 202 километров в час. Этот мировой рекорд скорости для паровозов не побит по сей день.
Рис.3. Паровоз «Маллард».
Но с конца 1930-х годов на смену паровозам стали приходить дизельные локомотивы – тепловозы. В нашей стране также активно развивалось тепловозостроение, и вскоре тепловоз ТЭ7 достиг скорости в 134 километра в час. А в 1993 году тепловозом ТЭП-80 был поставлен мировой рекорд скорости для тепловозов в 271 километр в час.
Рис.4. Советский тепловоз ТЭП80.
Однако в 1950-х годах в Европе появились скоростные электропоезда, чья скорость была намного выше, чем и у паровозов, и у тепловозов. Эти поезда состояли из комфортабельных вагонов и предназначались только для перевозки пассажиров. Самым быстрым в 1950-х годах был итальянский поезд «Сеттебелло», он мог развивать скорость до 150 километров в час. Но из-за того, что он двигался по тем же путям, что и обычные поезда, скорость его была ниже, только на отдельных участках он разгонялся до 130 километров час.
Рис.5. Итальянский поезд «Сеттебелло».
В 1964 году в Японии для высокоскоростных электропоездов проложили отдельную ветку, максимально прямую, как стрела, без поворотов и подъемов. Это позволило поездам разгоняться до 210 километров в час. Такие японские поезда получили название «Буллит» или «Пуля», не только из-за скорости, но и благодаря своей обтекаемой форме.
Рис. 6. Японский поезд «Буллит» 1964 года.
Именно тут становится явно заметно, насколько изменилась форма поезда, по сравнению с первым рекордсменом «Летучим Шотландцем».
Так как же связаны скорости поездов и их форма?
На любой движущийся предмет действует сила сопротивления воздуха.
У обычных паровозов была тупая носовая часть, встречный поток воздуха разбивался о его лобовую часть и тормозил движение. Чем больше была скорость, тем больше было сопротивление. «Маллард» имел более обтекаемую форму, сопротивление воздуха было ниже, что позволило ему развить большую скорость и установить рекорд.
Рис.7. Наглядное изображение действующего на поезд сопротивления воздуха.
При разработке современных электропоездов вопросу обтекаемой формы и минимальному сопротивлению уделяется огромное внимание - скорость становится все выше. Например, в Европе с 1981 года по отдельным линиям курсировал высокоскоростной электропоезд «TGV», скорость которого достигала 270 километров в час.
Рис.8. Высокоскоростной поезд «TGV» в 1982 году.
Современные же поезда «TGV» на испытаниях могут разгоняться до 575 километров в час, на маршруте же их скорость ограничена 320 км/ч.
В России тоже развивался высокоскоростной железнодорожный транспорт. В 1970-х годах был разработан ЭР200, он перевозил пассажиров со скоростью до 160 километров в час. В настоящее время его заменил «Сапсан». Он может развивать скорость до 300 километров в час. Однако из-за того, что высокоскоростное движение организовано по общим с обычными поездами железнодорожным путям, скорость состава составляет от 160 до 200 километров в час.
Абсолютными рекордсменами в скорости являются «поезда без колес» - поезда на магнитной подушке или Маглевы. Первой железнодорожной линией стал Маглев в Шанхае (Китай), он развивает скорость до 431 километра в час. Рекорд же принадлежит японскому Маглеву MLX-01, который на испытаниях промчался со скоростью 581 километр в час.
Рис. 9. Японский Маглев, установивший рекорд скорости.
Если же посмотреть на современные поезда «Буллиты» в Японии, то становится заметен их максимально вытянутый нос, до 15 метров в длину, в нем едва помещается кабина машиниста:
Рис.10. Современный японский поезд «Буллит».
Если проанализировать изменение формы поезда, можно легко заметить, как вытягивалась носовая часть, сам поезд становился все более гладким, исчезли трубы, выносные фонари, громоздкие колеса. Сейчас поезда имеют максимально обтекаемую форму, она еще называется аэродинамичная. Такая удачная форма приводит к минимальному сопротивлению воздуха, он почти не тормозит поезд во время движения. А мощные источники энергии позволяют ставить новые рекорды скорости.
3. Практическая часть работы.
Для практической части своей работы я поставил себе вопрос: а правда ли аэродинамическая форма имеет такое значение?
С помощью программы 3D моделирования я спроектирую три корпуса. Один будет прямоугольной формы, как обычные современные тепловозы. Второй корпус будет с большим носовым обтекателем, имитирующим форму японских высокоскоростных поездов. А третий корпус, помимо носового обтекателя, будет иметь аэродинамический спойлер в задней части. Если модели с носовым обтекателем испытывают меньшие нагрузки при движении, то это позволяет им развить большую скорость, или пройти больший путь, так как воздух не будет препятствовать их движению. Запустив эти три модели поездов с небольшой горки и сравнив результаты, можно будет сделать следующие выводы:
1. Проанализировать величину пути, который прошли все три модели. Сделать вывод о преимуществе моделей с носовым обтекателем.
2. Сравнить путь модели с носовым обтекателем и модели с носовым обтекателем и спойлером. Сделать вывод о целесообразности использования спойлера.
4. Изготовление 3D моделей.
Первым я спроектировал прямоугольный корпус. Для этого я использовал программу SolidWorks.
Рис.11. 3D модель современного тепловоза.
Далее я спроектировал модель современного высокоскоростного электропоезда. Основным отличительным признаком у него является обтекаемая аэродинамичная форма и вытянутый носовой обтекатель.
Рис.12. 3D модель современного высокоскоростного электропоезда.
Для третьей модели я решил запроектировать аэродинамический спойлер на задней части поезда. Спойлер это приспособление, которое помогает преобразовывать воздушные потоки, снижая тем самым сопротивление воздуха. Один из вопросов в моей теории – сможет ли поезд со спойлером преодолеть большее расстояние.
Рис. 13. 3D модель высокоскоростного поезда со спойлером.
После того, как модели спроектированы, их можно запускать в печать на 3D принтере. Он позволяет печатать объемные модели из пластика.
Рис. 14. Процесс печати объемных форм на 3D принтере.
Скорость печати зависит от величины модели и степени их заполнения пластиком внутри. Мои модели печатались один час и пятьдесят минут.
Рис.15. Процесс печати.
Рис.16. Завершение процесса печати.
5. Экспериментальная часть работы.
После того, как процесс печати завершился, можно приступать к эксперименту. Суть моего эксперимента заключается в том, чтобы запустить полученные модели с наклонной поверхности. Я выдвигаю теорию, что модели с аэродинамичной формой должны проехать большее расстояние за счет меньшего сопротивления воздуха. Вообще, для настоящих полноразмерных поездов сопротивление воздуха стремительно возрастает и оказывает существенное влияние на скоростях больше 100 километров в час. Поэтому мой эксперимент будет показательным еще и потому, что можно будет судить, оказывает ли сопротивление воздуха влияние на такие малые модели.
Итак, в качестве наклонной поверхности я выбрал металлическую линейку длинной 1м, установленную одним концом на возвышение, другой конец без возвышения.
Модели запускаются с отметки «0».
Первой запускается модель с аэродинамическим спойлером. Модель скатилась под собственным весом и остановилась на отметке 43 сантиметра.
Рис.17. Путь, пройденный моделью высокоскоростного электропоезда со спойлером.
Далее запускается модель высокоскоростного электропоезда без спойлера. Для наглядности эксперимента, первую модель с линейки не убираю.
Рис.18. Результат, показанный моделью без спойлера.
На рисунке 18 видно, что модель без спойлера прошла практически такой же путь, как и первая. Остановилась на отметке 39 сантиметров. Уклон линейки и другие параметры были без изменений.
Теперь нужно запустить с наклонной поверхности модель необтекаемой формы, с тупой носовой частью. Первые две модели остаются на линейке для наглядности.
Рис.19. Путь, пройденный моделью с тупой носовой частью.
На рисунке 19 видно, что модель остановилась на отметке 18 сантиметров, что значительно меньше, чем у двух других моделей.
Я повторил эксперимент еще два раза. Оба раза модели показывали примерно такие же результаты: дальше всех проезжала аэродинамичная модель со спойлером. Почти такой же результат показывала аэродинамичная модель без спойлера. Прямоугольная модель показывала результат значительно хуже. Поэтому за окончательные результаты принимаю следующие цифры: модель со спойлером 43 сантиметра. Модель без спойлера 39 сантиметров. Прямоугольная модель 18 сантиметров.
Рис.20. Итоговые результаты эксперимента.
6. Выводы.
Итак, проведя эксперимент, я могу сделать следующие выводы:
Проанализировав путь, пройденный всеми тремя моделями, можно сделать однозначный вывод, что аэродинамичная форма поезда имеет большое преимущество перед обычной прямоугольной. Результаты эксперимента и их подтверждение при повторении являются доказательством этой теории. Поезд аэродинамичной формы испытывает гораздо меньшее сопротивление воздуха, что позволяет ему развивать большую скорость и проходить большее расстояние.
Модель поезда со спойлером показала практически такой же результат, что и без спойлера. Расстояние было незначительно больше. Значит, выгода от его использования не значительна и использование спойлера остается на усмотрение производителя.
7. Заключение.
В заключении хочется сказать, что простое наблюдение привело к такому увлекательному эксперименту. Благодаря ему узнал, что такое сопротивление воздуха, как оно влияет на движущиеся предметы. Обтекаемые поезда имеют не просто красивую форму. Эта форма позволяет им ставить новые рекорды. Но остается много других вопросов, например, правда ли что чем длиннее нос, тем меньше сопротивление, или есть какие-то другие аэродинамичные формы. Какие еще факторы могут влиять на достижение поездом высокой скорости. Все эти вопросы оставляют мне широкую возможность для исследования и в будущем я обязательно это выясню!
8. Список использованной литературы:
Тернбулл С. «Поезда»/ пер. с англ. С.Э.Шафрановского. – М.: РОСМЭН, 2015.-48с.
https://ru.wikipedia.org/wiki/История_железнодорожного_транспорта
https://ru.wikipedia.org/wiki/Железнодорожный_транспорт_в_России
https://ru.wikipedia.org/wiki/TGV
https://en.wikipedia.org/wiki/Settebello_(train)