VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Нескользящие ботинки
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность темы
В настоящее время, среди причин травматизма в осенне - весенне - зимний период, падение из-за скользкой обуви занимает лидирующие позиции. Сотни людей, ежедневно поскальзываются на льду и падают. Такое падение, как минимум, поставит вас в неловкое положение и вы отделаетесь легким испугом и грязной одеждой, а, как максимум, может привести к серьёзным ушибам и травмам. Поэтому проблема падения на льду весьма актуальна и человечество придумывает различные способы эффективного решения этой проблемы. В картине Никиты Михалкова "Сибирский цирюльник" юнкера на балу натирали подошвы сапог канифолью, чтобы не скользить по скользкому полу. А сейчас актуально эффективное и недорогое решение проблемы скользкой обуви.
Проблема
Мы посетили несколько обувных мастерских для того, чтобы выяснить, какие есть способы защиты обуви от скольжения. Оказалось, что это придание рельефа подошве или установка шипов. Эти способы стоят в среднем от 1000 до 5000 рублей, что достаточно дорого. Кроме того, эти способы решения проблемы защиты обуви от скольжения не всегда работают и весьма непрактичны. Поэтому мы считаем, что требуется иное, более дешёвое, более практичное и менее трудоемкое решение данной проблемы.
Цель
Придумать такое покрытие на ботинки, которое позволило бы ботинкам не скользить на льду. Данное покрытие также должно быть удобно в использовании, дёшево стоить и долго служить.
Объект исследования
Материал которым покрыта подошва обуви или материал из которого сделана подошва обуви.
Предмет исследования
Технические характеристики материала такие как: устойчивость к морозу, гидрофобность, практичность и износостойкость.
Гипотеза
Между соприкасающимися телами при их движении возникает трение. Сила трения будет зависит от материала, из которого сделано тело. Чем больше трение, тем больше выделится тепла. Выделяющееся тепло плавит лёд с образованием воды. Вода резко снижает трение и подошва начинает скользить. Мы предполагаем, что устойчивость обуви к скольжению зависит от материала, из которого изготовлена или которым покрыта подошва обуви. Изменяя материал, мы будем изменять характеристики подошвы. Так можно подобрать материал, который не будет скользить на льду.
Задачи
В ходе решения нашей проблемы мы поставили себе несколько задач.
1) Собрать необходимую информацию по теме проекта.
2) Понять, чем же обусловлено скольжение ботинок на льду.
3) Разобраться с физической стороной процесса скольжения.
4) Понять, каким образом с проблемой скользких ботинок борются сейчас.
5) Изучив современные способы защиты обуви от проскальзывания, понять, почему они нам не подходят, и, на основе всех полученных данных, предложить свой способ.
Методы исследования
В нашей работе основными методами являются: во-первых, наблюдение за объектом нашего исследования, во-вторых, проведение эксперимента, в-третьих, физическое моделирование предмета нашего исследования. Также в нашей работе мы использовали метод сравнение характеристик и анализ.
Оригинальность и Практическая значимость
В нашем проекте, решая проблему скользкой обуви, мы предлагаем к использованию материал, который гораздо дешевле и эффективнее современных способов защиты, и который можно будет очень просто применять в домашних условиях.
Ценность нашего метода защиты обуви от скольжения в его простоте в использования.
Теоретическая часть
Из чего сделана подошва обуви?
В настоящее время подошва обуви может быть выполнена с применением различных материалов. А именно, самыми распространенными материалами для создания подошвы являются: кожа, резина и различные синтетические полимеры и смолы. Все эти материалы обладают различными характеристиками. Кратко рассмотрим что это за материалы.
Кожа - материал, который сделан из шкур различных животных. По назначению подразделяют на 4 класса: обувную, шорно-седельную, техническую, одежно-галантерейную. К обувной коже относится кожа для низа и верха обуви. Кожа для низа обуви - жесткий на изгиб и сжатие материал, вырабатываемый из шкур крупного рогатого скота, верблюжьих, свиных, морского зверя с применением различных дубящих веществ.
Резина — это эластичный материал, получаемый вулканизацией натурального полимера - каучука. Получают резину из натурального каучука методом вулканизации — смешиванием с серой и последующим нагревом.
Полимерная подошва - это подошва которая делается из синтетических полимерных материалов и резин. К таким подошвам относятся подошвы из: поливинилхлорида, полиуретана, поливинилацетата. Легкие в изготовлении и достаточно дешёвые.
Почему же скользит обувь?
Чтобы понять, почему скользит обувь, нам нужно обратится к физическим законам. При движение двух тел, сближенных вместе, они трутся друг об друга. При трении тел друг об друга между ними возникает сила трения. Сила трения препятствует их движению относительно друг друга. При противодействии этой силе выделяется тепло. При ходьбе подошва ботинок трется о поверхность льда, и при этом начинает выделяться тепло. Это тепло, которое выделилось при трении ботинка о лед, идет на плавление льда. Лёд плавится, и на границе фаз лед - подошва, появляется ещё один слой - вода. За счет того, что между ботинком и льдом есть микроскопическая прослойка воды, а последний и вовсе представляет из себя идеально гладкую поверхность, получается эффект мокрого пола. Подливает масло в огонь и тот факт, что материал, из которого делают большинство ботинок, на морозе легко твердеет с образованием каменно-подобной поверхности. Создается тот же эффект, что и в коньках.
Решение проблемы скользкой обуви в настоящее время
Безусловно, проблему устранения скользкой подошвы на обуви решают в производственных масштабах. Однако самыми надежными вариантами всё ещё являются протектор и шипы. Протектор позволяет цепляться за естественные неровности на поверхности льда, а также отводить образующуюся воду из-под подошвы. Шипы же, в свою очередь, сами создают неровности и цепляются за них. Эти способы защиты обуви от скольжения, на наш взгляд, достаточно дорогостоящие и не всегда оправданы. Поэтому мы задумались об альтернативном варианте и хотим предложить силикон, как средство для создания противоскользящей подошвы.
Силиконы - это кислородсодержащие высокомолекулярные кремнийорганические соединения. Силиконовый каучук имеет большую термостойкость и морозоустойчивость.
Для того, чтобы аргументировать наш выбор, давайте сравним существующие на данный момент способы и предложенный нами силикон.
Нами рассмотрены: шиповка, резиновый протектор, инновационное силиконовое покрытие по следующим характеристикам:
Износостойкость
Износостойкость фактически определяет срок службы защитного покрытия. Чем прочнее материал, тем он устойчивее к износу. В нашем случае самым прочным оказывается резина, из которой делают подошву обуви. Это связано с тем, что в состав резины, из которой сделана обувь, часто входят такие компоненты как песок, графит, сера, которые значительно уплотняют материал. Из-за наличия в силиконе микро частиц кремния он также имеет достаточно высокую износостойкость, однако, из-за менее сильного взаимодействия молекул вещества силиконовое покрытие немного уступает по прочности резиновой подошве. Шипы, в свою очередь, являются наименее устойчивыми к износу, так как часто представляют собой довольно мягкий металл (твердый металл стоит очень дорого). При ходьбе асфальт или каменная плитка выступает в роли абразива и стачивает шипы.
Устойчивость к морозу.
Любой материал способен менять свои свойства в зависимости от температуры. Чаще всего, с понижением температуры, хрупкость материала повышается. Таким образом, металлические шипы, в подошве, на морозе могут легкого обломиться. Однако этого не происходит, так как температуры зимой недостаточно. Резиновая подошва же, замерзая, становится твердой, как камень, и теряет сцепление с поверхностью дороги. Силиконовая резина, в виду наличия в её структуре особых водородных связей, устойчива даже к сильной заморозке, и, даже при -60 градусах, сохранит свои эластичные свойства и крепкое сцепление с дорогой.
Гидрофобность
Шипы никак не влияют на гидрофобную пленку, но и она на них не влияет. Шипы будут цепляться за лёд, не обращая внимания на водную пленку. Резина и силикон обладают одинаково гидрофобностью.
Цена
Важным фактором является цена нашего покрытия. Шипы являются достаточно дорогостоящим покрытием. Их цена, в зависимости от качества и количества материала, из которого изготовлены шипы, может достигать десятков тысяч рублей. Протектор не делается искусственно, а часто входит в стоимость обуви. Наше силиконовое покрытие будет сделано из специального силикона. Мой брат помог мне рассчитать сколько будет стоить силиконовое покрытие одного ботинка. По нашим подсчетам стоимость покрытия одного ботинка защитной плёнкой будет равна 150 рублей.
Практичность
Шипы являются наиболее эффективными для защиты от скольжения, однако их эффективность будет напрямую зависеть от материала, из которого они сделаны, а также они достаточно ограничены по температуре. Качественные шипы дорого стоят, быстро изнашиваются и трудоемко устанавливаются. Они являются роскошью для обычных людей, и их использование в обычной обуви нецелесообразно.
Резиновый протектор является отличным решением. Относительно дешёвый, рабочий, долговечный. Однако способность резины к быстрому затвердеванию при низких температурах, не может полностью обеспечить обувь от скольжения.
Силиконовое покрытие является эффективным и дешёвым. Гораздо более эффективным, чем резиновый протектор, и в комбинации с ним может обеспечить высокую степень защиты.
|
Характеристики |
Защита от скольжения |
||
|
Силикон |
Шипы |
Протектор из резины |
|
|
Морозостойкость |
+ |
- |
- |
|
Износостойкость |
+ |
+ |
+ |
|
Гидрофобность |
+ |
- |
+ |
|
Выгодная цена |
+ |
- |
+ |
|
Эстетичность |
+ |
- |
+ |
Почему современные способы не подходят
Несмотря на то, что протектор и шипы практичны и везде применяются, они имеют ряд недостатков. При высокой влажности воздуха и температуре погоды от 0 до минус 5-7 градусов, снег и лед на дороге мокрый и липкий, и резиновый протектор довольно часто забивается. Так он перестает выполнять свою функцию, и ботинки начинают скользить. Шипы ещё менее практичны. Они быстро тупятся, долго устанавливаются и дорого стоят.
Наш вариант
Материал, которым должна быть покрыта наша подошва, должен соответствовать определённым требованиям. Для того, чтобы на морозе он не становился каменным и не скользил, он должен быть морозостойким. Также он должен отталкивать воду, чтобы препятствовать появлению водной прослойки. Также он должен прилипать к поверхности подошвы, легко наноситься, дешево стоить и долго держаться. Учитывая все эти характеристики, мы выбрали силикон.
Силикон устойчив к экстремально низким температурам, является гидрофобным и хорошо прилипает к гладким поверхностям.
Применение
Важным моментом является способ нанесения нашего покрытия на подошву. Все должно быть быстро, точно и без вреда обуви. Для этого силикон разогревают в специальной печи до 250 градусов и помещают в него, на маленькую глубину, подошву ботинка на короткое время. Далее покрытие, образовавшееся на подошве, тщательно просушивают и обрабатывают для сохранения обуви опрятного вида.
Практическая часть
Для того, чтобы проверить нашу гипотезу мы решили провести эксперимент: нанесение силикона на подошву обуви и тестирование этой обуви на устойчивость к скольжению.
1) Мы тщательно отмыли подошву обуви и просушили её. (Рис. 3, Рис. 4)
2) Чтобы полностью обезжирить подошву обуви, мы дополнительно протерли её органическим растворителем. (Рис. 5, Рис. 6, Рис. 7)
3) У нас не было специальной печки для плавления силикона, поэтому мы решили купить строительный пистолет с уже готовым для нанесения раствором силикона в уксусной кислоте. Уксусная кислота улетучивается и силикон затвердевает. (Рис. 8)
4) Мы аккуратно нанесли силикон на подошву, после этого с помощью шпателя равномерно распределили его по всей поверхности подошвы. (Рис. 9, Рис. 10)
5) Закрепив ботинок подошвой вверх, мы дали силикону высохнуть в течении дня. (Рис. 11)
ВАЖНО! Мы работали с коррозионными материалами, а при работе с ними следует соблюдать технику безопасности. Так, что бы защитить свои руки от кислоты мы надели защитные перчатки. Уксусная кислота, используемая в силиконовых герметиках, довольно летучая и при вдыхании может вызвать ожёг слизистой гортани. Что бы избежать этого следует надеть респиратор. Так же необходимо защитить глаза от попадания герметика. В случает попадания в глаза или на другие части тела необходимо немедленно промыть пораженные участки тела большим количеством теплой воды. Обратится к врачу. Рабочее помещение необходимо постоянно проветривать.
После того как силикон высох мы решили выйти на улицу и проверить, работает ли наш способ. Получилось так, что обувь не скользила даже тогда, когда мы пытались прокатиться по льду.
В ходе нашего эксперимента мы на практике подтвердили нашу гипотезу и убедились в том, что наша обувь с силиконовым покрытием действительно меньше скользит.
Расчет стоимости защитного покрытия
Для нанесения защитного покрытия в обувных мастерских мы будем использовать силикон СП-121 с примерной стоимостью в 1120 рублей за килограмм.
Один килограмм силикона плотностью 1150 кг/м3 занимает объем 0,0008695 м3 или 869,5 мл. (V = m : ρ = 1 кг : 1150 кг/м3 = 0,0008695 м3)
С помощью эксперимента мы выяснили, что на один ботинок требуется примерно 40 мл силикона. Исходя из этого получаем что 869,5 мл силикона хватит примерно на 20 ботинок или на 10 пар обуви.
(Nботинок = Vвсего : Vботинок = 869,5 мл : 40 мл ≈ 20 штук)
Стоимость силикона на один ботинок равна 56 рублей. На пару обуви 112 рублей.
(Сботинка = Ссиликона : Nботинок = 1120 руб : 20 штук = 56 руб/штука)
Заключение
В нашей работе мы нашли оригинальное решение существующей на сегодняшний день проблемы скользкой обуви. Использование предложенного нами материала, силикона, является дешевым, нетрудоемким и практичным способом для защиты подошвы обуви от скольжения. Соответственно мы выполнили нашу цель.
Мы подтвердили гипотезу, что устойчивость обуви к скольжению зависит от материала, из которого изготовлена или которым покрыта обувь. Тщательно изучив различные виды подошв обуви, рассмотрев характеристики существующих на данный момент способов создания противоскользящей подошвы предложили наш способ. Мы решили использовать для защиты обуви от скольжения силиконовую резину, которой будет покрыта подошва. Она имеет хорошую эластичность и устойчива к холоду, является гидрофобной и практичной.
Предложенный нами материал, а именно - силиконовое покрытие, прошел испытания на льду, и показал лучшие результаты по сравнению с материалом из которого изготовлена обычная подошва.
Работая над проектом я не только узнала как сделать в домашних условиях нескользящую подошву, но и узнала, из каких материалов изготавливается подошва обуви. Также, мы обращаем внимание, что существует техника безопасности при использовании различных химических материалов и описываем ее в своей работе. В этом есть познавательная ценность нашего проекта.
Для того, чтобы убедиться, что силиконовая подошва действительно не скользит, мы провели эксперимент. Мы сделали на мою подошву силиконовое покрытие, и я вышла на улицу и проверила, что моя обувь действительно стала меньше скользить. Однако, в домашних условиях устанавливать такую поверхность на подошву обуви довольно затратно. Именно поэтому, наносить наш силикон будут в обувных мастерских. Там силикон будут плавить в специальных печах и аккуратно наносить на обувь. После быстрого застывания, силиконовое покрытие будет шлифоваться, для того, чтобы сделать его максимально незаметным. Стоимость такого метода защиты ботинок от скольжения составит 150-200 рублей. Это дешевле современных способов, таких как шипы и протектор.
В дальнейшем, в моих планах развитие моего исследовательского проекта. Мы будем разрабатывать усовершенствованный и дешевый способ нанесения силиконового покрытия на обувь в домашних условиях.
Я очень надеюсь, что мой проект будет полезен и люди будут меньше падать на льду.
Список литературы
Бажант В. Силиконы - кремнийорганические соединения, их получение, свойства и применение. Москва, Госхимиздат, 1960. - 700 с.
Рохов Е.Д. Мир Кремния.Перевод на русский язык А.Д. Никитин / М.: Химия, 1990. — 152 с. (Пер. изд.: Фрг, 1987)
Химия и жизнь - XXI век 2009 №05.М.: НаукаПресс. — 76 с. — ISSN 1727-5903.
Андрианов К.А., Петрашко А.И. Кремнийорганические полимеры в народном хозяйстве.Академия наук СССР: научно-популярная серия /Кузьма Андрианович Андрианов, Алексей Иванович Петрашко. — М.: Издательство АН СССР, 1959. — 80 с.
Шув И.И. Общая технология обуви. Учебник для техникумов легкой промышленности. — 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Гизлегпром, 1963.
Перспективы развития технологий полимерной обуви в ХХI веке. — СПб: Химиздат, 2001. — 104 с. ISBN: 5-93808013-4.
Научно-практическая конференция, посвященная 140-летию со дня основания Товарищества резиновой мануфактуры "Треугольник".
Приложение
Рис. 1 Почему не скользит обувь
Рис. 2 Современные способы не работают
Рис. 3 Ботинки
Рис. 4 Отмыли подошву от грязи
Рис. 5 Обезжиривание органическим растворителем Рис. 6 Обезжиривание органическим растворителем Рис. 7 Чистая подошва обуви
Рис. 8 Силикон в монтажном пистолете
Рис. 9 Нанесение силикона на обувь
Рис. 10 Распределение силикона по подошве
Рис. 11 Готовая защитное покрытие