VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Секрет подошвы
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В современном мире производится огромное количество обуви. И в таком разнообразии человеку трудно сориентироваться в правильном выборе. Красивая, модная и абсолютно удобная в момент покупки обувь в повседневной носке превращается в скользкую и непрактичную. Мало кто знает о том, что одним из показателей качества обуви является правильный выбор производителем материала для изготовления подошвы. Именно подошва, соприкасаясь с другой поверхностью, создает трение, которое может создавать дискомфорт при ходьбе. В идеале, она должна быть гибкой, иметь рифленую поверхность, следовательно, не скользить. Амортизирующая функция стопы напрямую связана с качеством подошвы. Дети и подростки почти половину времени находятся в школе. Во время перемен многие из них довольно активны. В связи с этим иногда случаются травмы и несчастные случаи. В нашей школе имеются разные напольные покрытия: в учебных кабинетах- линолеум, пол в столовой, коридорах, вестибюле и лестничных клетках покрыт напольной плиткой. Поэтому, актуальностью данного исследования является участившиеся случаи травматизма, вследствие ежедневного использования неправильной обуви. Мы решили исследовать зависимость силы трения от материала, из которого изготовлена подошва и от рисунка ее поверхности, от качества поверхности. Обувь с какой подошвой лучше носить в помещении.
Объект исследования: процесс взаимодействия подошв разных видов с поверхностью пола.
Предмет исследования: особенности силы трения разных видов подошв на разных поверхностях в помещении. (линолеум и напольная плитка).
Цель: определить, какая подошва более безопасна на разных поверхностях в помещении.
Задачи:
1. изучить теоретическую основу проблемы; познакомиться с особенностями материалов, которые применяются в изготовлении подошв, проанализировать характеристики этих материалов по основным критериям.
2. провести эксперимент №1: определить какая подошва после воздействия трения нагреется больше всего, а какая - меньше.
3. провести эксперимента №2: измерить силу трения разных видов подошв на линолеуме и напольной плитке;
4. проанализировать полученные данные, обосновать, какая подошва более безопасна на разных поверхностях в помещении.
Гипотеза: сила трения зависит от материала и рифлёности подошвы, качества поверхности.
Новизна исследования: использование современных датчиков для знакомства с окружающей средой.
Практическая значимость: рекомендации, родителям и учащимся младших классов по использованию предметов одежды (обувь) с учетом напольного покрытия в помещении и особенностей возраста.
Оборудование: технические средства, netbook, датчик измерения температуры поверхности Go! Temp, датчик измерения силы трения, программное обеспечение Logger Lite, три образца обуви с разными подошвами (лидеры отбора: ТПР, ТЭП, резиновая), линолеум и напольная плитка.
Методы:
общелогические методы и приемы исследования: анализ и синтез
методы эмпирического исследования: эксперимент, измерение, сравнение
В результате исследования доказали, что сила трения зависит от материала и рифлёности подошвы, качества поверхности. Обувь на резиновой подошвеобладает отличными характеристиками: стойкая к истиранию, прочная и плотная, термо и влагоустойчива, устойчива к скольжению.
Глава 1 Сила трения. Виды подошв. Отбор видов подошв по основным критериям
Человека в его повседневной жизни всегда сопровождает сила трения.
Сила трения — это сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их относительному движению. Сила трения, как и любая другая сила измеряется в Ньютонах. Основными разновидностями силы трения являются:
трение скольжения
трение качения
трение покоя 1
Мы рассмотрим только один из видов трения: трение скольжения. «Причиной возникновения трения является шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие молекул этих поверхностей. Наличие трения обеспечивает возможность перемещаться по поверхности. Так, при ходьбе именно за счёт трения происходит сцепление подошвы с полом, в результате чего происходит отталкивание от пола и движение вперёд. При трении наблюдается повышение температуры, то есть выделяется определенное количество тепла. Выделение теплоты при движении тел является самым существенным признаком наличия сильного трения. Трение и теплота взаимосвязаны.
Также сила трения зависит от материала трущихся поверхностей и от того, насколько сильно эти поверхности прижаты друг к другу. Она способна оказывать как положительное, так и отрицательное действие".2 Участившиеся случаи травматизма в школе – отсутствие силы трения. Мы решили исследовать зависимость силы трения от материала, из которого изготовлена подошва и от рисунка ее поверхности, от качества поверхности. Обувь с какой подошвой лучше носить в помещении.
Изучив теоретический материал, выделили основные часто используемые виды подошв. Выделили «плюсы» и «минусы» каждого вида подошв по основным критериям.3
|
Разновидности подошв. [3,5] (I) |
Критерии для сравнения различных видов подошв |
Анализ материала подошв по основным критериям [4] (I) |
|
Деревянная Кожаная Резиновая Поливинилхлоридная (ПВХ) Полиуретановая Термополиуретановая (ТПУ) Термоэластпластовая(ТЭП) Термопластичная резина (ТПР) |
Вес |
деревянная, кожаная, ТПР, ПУ |
|
Сопротивление к скольжению |
резиновая, ТЭП, ТПУ |
|
|
Сопротивление к истиранию Прочность |
резиновая, ТПР, ТПУ, ПУ, ТЭП |
|
|
Стойкость к многократному изгибу |
кожаная, резиновая, ТПР, ТЭП |
|
|
Морозостойкость |
Деревянная, кожаная, резиновая, ТЭП, ТПУ, |
|
|
Амортизация |
резиновая, ТПР, ТЭП, ПУ |
Проанализировали, по основным критериям характеристики данных видов подошв.
Выявили лидеров по каждому критерию.
Лидеры отбора по всем критериям:
Резиновая подошва
ТПР
ТЭП
Вывод: лидерами отбора по основным критериям стала обувь с резиновой, ТПР, ТЭП подошвой. (Рис.1.2.) Исследуем обувь с данной подошвой.
Рис.1.2
Глава 2 Исследование влияния материала подошвы на силу трения
Практическая часть. (проведение экспериментов и выводы по каждому эксперименту содержатся в видеоматериале)
Эксперимент 1.
С помощью датчика температуры поверхности измерили температуру поверхности у образцов обуви с подошвой: ТПР,ТЭП, резиновая. (Рис.2.2)
Рис. 2.2
Цель первого эксперимента: определить какая подошва после воздействия трения нагреется больше всего, а какая - меньше.
Гипотеза: можно предположить, что больше выделившегося тепла при трении подошвы щупом датчика температуры, будет у обуви с резиновой подошвой.
Задачи:
измерить температуру поверхности, если подошвы из разных материалов подвергнуть трению;
сравнить количество выделяемого тепла при трении подошв из разных материалов щупом датчика температуры.
провести анализ полученных данных.
Вывод 1 эксперимента: при трении наблюдается повышение температуры, то есть выделяется определенное количество тепла. Чем выше температура при натирании поверхности, тем выше сила трения. Выше показатели температуры при трении щупом датчика температуры у резиновой подошвы. Результат, отображен на графике (Рис.2.3), данные графика представлены в виде диаграммы (Рис. 2.4)
Рис.2.3
Рис.2.4
Эксперимент 2.
Для чистоты проведения второго эксперимента перед началом взвесим каждый образец обуви и положим в каждый образец дополнительный груз, чтобы вес каждого образца был одинаковый. Исследование проведем на разных поверхностях: линолеум (Рис.2.5) и напольная плитка (Рис.2.6). Тянем обувь по поверхности и с помощью датчика и фиксируем результат. (Рис.2.7)
Рис. 2.5
Рис.2.6
Рис.2.7
Цель второго эксперимента: определить зависимость величины силы трения на линолеуме и напольной плитке, от материала и рисунка подошвы.
Гипотеза: можно предположить, что обувь с резиновой рифленой подошвой будет меньше скользить и по линолеуму, и по напольной плитке в сравнении с другими образцами.
Задачи:
определить силу трения, при движении по линолеуму и напольной плитке обуви с разными видами подошвы.
провести анализ полученных данных.
сделать выводы относительно целесообразности использования разной обуви в той или иной ситуации.
Вывод 2 эксперимента: сила трения зависит от материала, из которого она изготовлена и рифлености подошвы. Чем шершавей поверхность подошвы, тем выше сила трения. Большей устойчивостью к скольжению обладает обувь на резиновой подошве с рильефной поверхностью. Результат исследования на линолеуме отображен на графике (Рис.2.8), на напольной плитке (Рис.2.9) данные графиков представлены в виде диаграммы (Рис. 2.10)
Рис.2.8
Рис.2.9
Рис.2.10
Заключение.
Подводя итог проведенному исследованию, можно констатировать, что поставленная цель достигнута, поставленные задачи решены. В ходе исследования, мы изучили необходимую литературу. Мы узнали характеристики материалов, из которых изготавливается подошва для обуви: полиуретановая подошва ПУ, ТЭП подошва, ПВХ (виниловая), ТПУ, ТПР, резиновая и кожаная. Выделили «плюсы» и «минусы» каждого вида подошв. Сравнили, по выбранным критериям, все образцы подошв. Для исследования мы использовали подошву, набравшую большее количество достоинств. Это обувь с резиновой, ТПР, ТЭП подошвой (лидеры отбора). Путём эксперимента измерили температуру поверхности у данных образцов, если подошвы из разных материалов подвергнуть трению щупом датчика. Установили, что выше температура поверхности у подошвы из резины. В ходе второго эксперимента с помощью датчика силы трения, измерили силу трения данных образцов подошвы на разных поверхностях: линолеум и напольная плитка. Подошвы данных образцов так же отличались по рифлёности. Выше показатели силы трения у обуви с резиновой подошвой и рифленой поверхностью. Проведенное исследование показало: предполагаемая, гипотеза о том, что сила трения зависит от материала и рифлёности подошвы, качества поверхности полностью подтвердилась. Обувь на грубой рифлёной резиновой подошве нагрелась больше всего, тем самым уменьшила скольжение, а обувь с тонкой гладкой подошвой нагрелась меньше, тем самым увеличила скольжение обуви. Эти качества используют модельеры при изготовлении обуви. И это необходимо учитывать при приобретении детской обуви для использования в помещении. Мы информировали родителей о результатах исследования, дали рекомендации в выборе подошв обуви.
Рекомендации для родителей и учащихся.
Правильный выбор – пара из натуральной кожи с декоративной перфорацией либо из текстиля с сетчатыми вставками, легкая, с округлым закрытым носом, супинатором и гибкой резиновой подошвой толщиной не менее 0,5 см.
Обувь для занятия спортом должна быть с большим сопротивлением к скольжению.
Обувь с незначительной силой трения понадобится для занятий танцами, в боулинге.
Список используемой литературы и других источников.
https://interneturok.ru/lesson/physics/10-klass/bsily-v-mehanikeb/sila-treniya-vidy-treniya - видеоурок «Сила трения»
Кабардин О.Ф. Справочные материалы по физике.- М.: Просвещение, 1991г.-367с.
http://www.shoes-report.ru/articles/aktsenty/obuvnoy-likbez-iz-chego-delayutsya-obuvnye-podoshvy/- Обувной ликбез: из чего делаются обувные подошвы
https://goodmaster.com.ua/odezhda-i-obuv/kak-vybrat-material-podoshvy.html - Как выбрать материал для обуви
https://vv-vito.ru/poleznaya-informatsiya/obuvnye-podoshvy/- Обувные подошвы. Выбор материала, плюсы и минусы.
Приложения
Приложение IВиды и характеристики подошв.
|
Деревянная подошва |
Плюсы: деревянные подошвы имеют оригинальный внешний вид. |
Минусы: деревянные подошвы жесткие, быстро истираются и обладают плохой водостойкостью. При изготовлении таких подошв расходуется много материала. Обтяжка из пробки подвержена сколам и дефектам из-за мягкости материала. |
|
Кожаная подошва |
Плюсы: отлично выглядит и превосходно дышит. |
Минусы: износоустойчивость кожи довольно низкая, а потому на подошву из такого материала должна быть установлена профилактика. Особенно важно наличие профилактики у зимней обуви, поскольку без нее кожаная подошва будет скользить как по льду, так и по снегу. Подошва из кожи нуждается в постоянном уходе с использованием специальных пропиток и спреев. |
|
Резиновая подошва |
Плюсы: материал устойчив к износу и деформациям, не боится перепадов температур, является одновременно и прочным, и гибким, не скользит на льду. |
Минусы: приличный вес и немалая стоимость |
|
Поливинилхлоридная подошва (ПВХ) |
Плюсы: подошвы из ПВХ очень износостойкие, крепкие, не деформируются и не скользят. Очень просты в изготовлении, и в состав легко добавлять различные примеси и пластификаторы, поэтому можно добиться фактически любой эластичности. Маслостойкий материал делает подошву из него идеальной для спецобуви. Часто применяют в детской обуви. |
Минусы: ПВХ очень тяжелый материал и обувь получается соответствующая. Несмотря на неплохие амортизирующие свойства, в этой обуви тяжело ходить много и долго, ноги устают. Со временем пластификаторы испаряются, и подошва теряет эластичность, начинает трескаться. Учитывая то, что некоторое время до продажи товар обычно проводит на складах или на полках магазинов, может так получиться, что потребитель получит изделие, которое уже растеряло часть положительных качеств. ПВХ не морозостоек и может лопнуть при температуре -20 градусов. Материал очень плохо клеится к верху обуви из натуральной кожи, поэтому его чаще используют на обуви из кожзаменителя. |
|
Полиуретановая подошва (ПУ) |
Плюсы: полиуретан имеет очень низкую плотность, поэтому мало весит и обладает великолепной теплоизоляцией, подошва получается очень легкая и умеренно гибкая. Неплохо амортизирует ударные нагрузки и достаточно износостойка. Все эти свойства делают подошву из полиуретана отличным выбором для потребителя, которому важны комфорт, который хочет обойтись без покупки тёплой зимней обуви, проводит не более часа на улице и не переобувается, приходя в офис. Из плюсов можно также выделить низкую себестоимость, благодаря чему его очень любят производители и продавцы дешевой обуви. |
Минусы: низкая плотность материала обеспечивает и основные минусы. Из-за неё изготовить тонкую полиуретановую подошву невозможно – она просто не выдержит нагрузок и разорвётся, данной подошве нужна толщина, которая сразу снижает гибкость. Также толстая подошва может хорошо смотреться только на демисезонном или зимнем товаре. Но для зимней обуви полиуретан является плохим выбором – при низкой температуре он становится значительно менее эластичным, при температурах -20 градусов и ниже трескается, ломается или даже начинает крошиться. Потеря эластичности отражается и на сцеплении со льдом и снегом, обувь начинает скользить. В полиуретан нельзя добавлять пластификатор, поэтому избавиться от этих минусов невозможно. |
|
Термополиуретановая (ТПУ) подошва |
Плюсы: термополиуретан является износостойким материалом, его очень сложно деформировать, порезать или проколоть. Высокая плотность позволяет изготавливать подошвы со сложными рисунками, которые смотрятся очень красиво. Материал не скользкий, обеспечивает хорошее сцепление. Из-за особенностей технологии производства его часто используют для изготовления обуви больших размеров. Великолепно ложится на модельную и классическую обувь, чаще всего красивые туфли с четко очерченными формами, сложными швами, дорогой кожей верха имеют подошву именно из этого материала. Одно из основных достоинств такой обуви – эстетика, выглядит красиво и дорого. Эти свойства делают изделия с термополиуретановым низом отличным выбором для потребителя, которому нужна красивая обувь, возможно в офис или для вечернего дресс-кода. |
Минусы: удельный вес и высокая плотность термополиуретана являются одновременно и минусом – подошва получается тяжелой, эластичность очень низкая, теплоизоляция плохая. Обувь с такой подошвой не будет тёплой даже с меховой стелькой и увеличенной толщиной. Плотность также влияет и на амортизационные свойства – обувь не пружинит, увеличивается нагрузка на суставы и позвоночник, в конце дня чувствуется усталость в ступнях. Не подходит потребителям, проводящим много времени на ногах. Противопоказана при длительных прогулках. Крепится эта подошва обычно клеевым методом вручную и процент брака, связанный с отклейкой и разрывом по грани следа, по ней выше. |
|
Термоэластпластовая (ТЭП) подошва |
Плюсы: внутренняя пористая структура материала обеспечивает отличную термоизоляцию и амортизацию. Обувь пружинит, носится легко и комфортно. Отлично подходит для длительных прогулок, часто используется в обуви для активного отдыха. Такие марки как Columbia и Caterpillar используют их почти на всех своих изделиях. Сам материал можно использовать многократно, что позволяет производителям с лёгкостью переделывать партию подошв, если в этом есть необходимость. Имеет экстремально низкую себестоимость при выпуске больших партий, позволяющую изготавливать недорогие изделия, поэтому эта подошва является самой популярной у дешевых и больших фабрик Китая. Износостойкость и сопротивление истиранию значительно выше среднего, так что, несмотря на дешевизну, эта продукция служит долго. |
Минусы: материал выглядит неряшливо и некрасиво, края неровные, посадить такую подошву можно только на пористую и толстую кожу, либо на искусственную. Это делает невозможным её использование на красивой модельной обуви. Из-за технологических ограничений в выборе материалов верха цветовая гамма изделий небольшая, да и визуально готовая продукция получается не очень эстетичной. |
|
Термопластичная резина (ТПР) подошва |
Плюсы: термопластичная резина обладает достаточно средними свойствами плотности и удельным весом и это является достоинством. Подошвы из неё нескользкие, обладают хорошими амортизационными свойствами и снимают нагрузку на ноги и позвоночник, достаточно легкие в стандартном варианте изготовления, а в новом поколении материала вес снижен в разы. Неплохо сопротивляется истиранию в стандарте, а при использовании новых технологий производитель даёт 5 лет гарантии на данную деталь обуви. С эстетической точки зрения подошва выглядит очень хорошо, может быть любого цвета, любой формы и с любым рисунком. Используется практически во всех видах обуви. В кедах почти всегда именно этот материал. Потребитель, выбрав изделие с этим материалом, скорее всего, останется доволен эксплуатационными характеристиками. |
Минусы: высокая себестоимость изготовления подошвы, необходимость использования очень дорогостоящего оборудования и специальных пресс-форм для каждого размера делает этот материал не очень популярным у производителя, либо фабрикант уменьшает себестоимость товара за счёт очень дешевых материалов верха, как в случае с кедами. Не каждый покупатель поймёт, почему кеды из натуральной кожи высокого качества должны стоить дороже модельных туфель, но именно так и должно быть. У материала не очень хорошие теплоизоляционные характеристики, поэтому зимнюю обувь на такой подошве можно делать, но только добавив толщину. |
«Плюсы» и «минусы» каждого вида подошв по основным критериям.
Приложение IIВидеоматериалы экспериментов.
Эксперимент 1
https://cloud.mail.ru/public/Jqmk/qLCFiWVGA
Эксперимент 2
https://cloud.mail.ru/public/Gk8M/gVxmce7z9
1Кабардин О.Ф. Справочные материалы по физике.- М.: Просвещение, 1991г.-30с.
2 https://interneturok.ru/lesson/physics/10-klass/bsily-v-mehanikeb/sila-treniya-vidy-treniya - видеоурок «Сила трения»
3 https://vv-vito.ru/poleznaya-informatsiya/obuvnye-podoshvy/- Обувные подошвы. Выбор материала, плюсы и минусы
4 http://www.shoes-report.ru/articles/aktsenty/obuvnoy-likbez-iz-chego-delayutsya-obuvnye-podoshvy/- Обувной ликбез: из чего делаются обувные подошвы