VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Гидротурбина на основе Сегнерова колеса – как приготовить своими руками портативный двигатель в походных условиях
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Двигатель — устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую работу.
Двигатели подразделяют на первичные и вторичные. К первичным относят непосредственно преобразующие природные энергетические ресурсы в механическую работу, а ко вторичным — преобразующие энергию, выработанную или накопленную другими источниками.
К первичным двигателям (ПД) относятся ветряное колесо, использующее силу ветра, водяное колесо и гиревой механизм — их приводит в действие сила гравитации, тепловые двигатели — в них химическая энергия топлива или ядерная энергия преобразуются в другие виды энергии. Ко вторичным двигателям (ВД) относятся электрические, пневматические и гидравлические.
Вторичные двигатели играют большую роль в технике, однако их мощность относительно невелика. Их также широко применяют и в миниатюрных и сверхминиатюрных устройствах. [2](Материал из Википедии — свободной энциклопедии. ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель)
Проблема: миниатюрный двигатель в виде гидротурбины, пригодился бы, к примеру в походных условиях в местах, где есть бегущие ручьи. Такой двигатель мог бы питать энергией портативный генератор электрического тока. Такие генераторы, на наш взгляд, наиболее автономны, не требуют дополнительной подзарядки как аккумуляторы и (в случае поломки) позволяют наладить подачу энергии. Наших знаний ещё недостаточно, чтобы собрать сам генератор, но мы уже понимаем, что ротор должен быть в постоянном движении. А что может заставить его постоянно вращаться? Над этим вопросом мы и работали в рамках нашего кружка «Занимательная физика». Нами был выполнен проект по изготовлению двигателя - гидротурбины на основе Сегнерова колеса. Он экологичен, прост в устройстве, безопасен для человека, не взрывоопасен.
После изготовления двигателей были произведены сравнительные характеристики различных полученных турбин, сделаны выводы, какая турбина оказалась максимально мощной.
Актуальность работы: физику можно понять и изучить создавая самостоятельно устройства, приборы, двигатели и т.д. Это не только расширяет базу знаний, но и позволяет научиться работать с инструментами, изучать свойства материалов, развивать способности к планированию и прогнозированию. Меняя условия эксперимента, изучать физику более глубоко.
Гипотеза: гидротурбину на основе Сегнерова колеса возможно создать даже в походных условиях, используя подручные материалы и материалы, принесенные с собой.
Объект исследования: гидротурбина, созданная на основе Сегнерова колеса.
Предмет исследования: характеристики, повышающие скорость вращения гидротурбины, построенной на основе Сегнерова колеса.
Цель работы: создать действующую модель гидротурбины на основе Сегнерова колеса и изучить её возможности для повышения скорости вращения, а значит и её мощности. Продемонстрировать работу и сравнить результаты (количество вращений за 20 секунд) с результатами других участников кружка.
В соответствии с целью исследования сформулированы следующие задачи:
Изучить научную и популярную литературу, материалы интернета.
На основе полученных знаний подобрать самые доступные материалы для изготовления модели гидротурбины.
Приготовить рисунок и составить план изготовления модели.
Изучить технику безопасности при работе с инструментами.
Изготовление модели. Первые испытания. Выявление недостатков с последующим исправлением.
Изготовление новой модели большей мощности.
Испытания. Подготовка к конкурсу.
Обмен опытом с другими участниками кружка.
Продукт проекта: модели гидротурбин, сделанные своими руками.
Практическая значимость: в результате выполнения наших проектов мы не только стали понимать принцип работы гидротурбины на основе Сегнерова колеса, но и обнаружили, что нет необходимости для изучения физики каких то особых приборов, всё, что необходимо, чтобы изучать физику – это знания, понимание и желание знать её. Дома, у родителей и наших младших братьев и сестер – эти проекты вызвали самый живой интерес. Папы давали советы по изготовлению и подбору материалов, мамы старались подсказать, как сделать прибор ярче, интереснее, а младшие братья и сестренки с живым интересом наблюдали за ходом испытаний и хотели тоже начать изучать физику. В школе, выступая с демонстрацией мы смогли обменяться со остальными участниками экспериментов своими открытиями по увеличению мощности двигателя. Нам было важно, что наша модель вызвала большой интерес не только среди одноклассников, но и среди старшеклассников, которые смогли нам пояснить, на что ещё можно было обратить внимание для увеличения мощности модели.
Методы исследования: наблюдение, сравнение; анализ и синтез полученных результатов для создания модели, эксперимент.
Наш план работы при изготовлении модели гидротурбины:
Виды двигателей и выбор самого «доступного» двигателя для изготовления.
Изучение доступной информации по изготовлению двигателя.
Изготовление рисунка модели.
Подбор доступных материалов, изготовление моделей, эксперименты, корректировка рисунка – внесение изменений.
Демонстрация модели. Публичное испытание.
Обобщение опыта.
Теоретическая часть.
Первый реактивный двигатель, являющийся по сути первой гидротурбиной в истории науки, разработал венгерский ученый Янош Андрош Сегнер – от куда и получил название Сегнерово колесо. Ученый занимался не только физикой, но и математикой. В целом он занимался конструированием и совершенствованием различных научных приборов, разработал теорию капиллярности. Ввел оси инерции (три главные оси вращения). Доказал правило Декарта о числе положительных и отрицательных корней алгебраического уравнения, предложил графический способ решения алгебраических уравнений высших порядков. [10]
Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую силу тяги для преобразования исходной энергии в кинетическую, энергия струи рабочего тела, в результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде реакции струи, перемещающая в пространстве двигатель, и конструктивно связанный с ним аппарат, в сторону, противоположную истечению струи. [12]
Гидротурбина, преобразует механическую энергию воды (её энергию положения, давления и скоростную) в энергию вращающегося вала. По принципу действия гидротурбины делятся на активные и реактивные. Основным рабочим органом гидротурбины, в котором происходит преобразование энергии, является рабочее колесо. Вода подводится к рабочему колесу в активных через сопла, в реактивных — через направляющий аппарат. [4]Первая реактивная гидротурбина была изобретена в 1827 французским инженером Бенуа Фурнероном, названая впоследствии турбиной Фурнерона и примененная впервые на фабрике Давилье и К° в Тювале.(Материал из Википедии — свободной энциклопедии. ru.wikipedia.org/wiki/Фурнерон,_Бенуа)
Гидротурбина в виде сегнерова колеса выглядит следующим образом: расположенное в горизонтальной плоскости колесо без обода, у которого спицы заменены трубками с отогнутыми концами так, что вытекающая из них вода приводит сегнерово колесо во вращение.
Великий немецкий математик Эйлер одним из первых откликнулся на эту новинку, посвятив исследованию колеса Сегнера несколько своих работ. Прежде всего, Эйлер указал на недостатки в конструкции Сегнера, отметив при этом, что невысокий КПД колеса был следствием нерациональных потерь энергии. Далее он писал, что эти потери могут быть значительно снижены. Значительные потери происходили, прежде всего, при входе воды в колесо из-за резкого изменения направления и скорости течения воды (энергия здесь расходовалась на удар). Но их можно было уменьшить, если подводить воду к колесу в направлении вращения со скоростью этого вращения. На выходе так же имелись потери, так как часть энергии уносилась с выходной скоростью воды. В идеале вода должна отдавать колесу всю свою скорость. Для этого Эйлер предлагал заменить горизонтальные водовыпускные трубки трубками криволинейной формы, идущими сверху вниз. Тогда уже не было нужды делать отверстия для выпуска воды сбоку, так как можно было просто оставлять открытым нижний конец замкнутой трубки. Эйлер предсказал, что в будущем гидравлические машины этого нового типа (собственно, речь здесь шла о гидравлической турбине, но самого этого названия еще не было в употреблении) будут иметь две части: неподвижный направляющий аппарат, по прохождению через который вода будет поступать в нижнее вращающееся колесо, являющееся рабочим органом машины. Несмотря на высказанные замечания, Эйлер очень высоко оценил изобретение Сегнера и прозорливо указал, что тот открыл новый путь развития гидравлических двигателей, которому суждено большое будущее.
Однако и колесо Сегнера, и работы Эйлера несколько опередили свое время. Следующие семьдесят лет никто не пытался усовершенствовать колесо Сегнера в соответствии с замечаниями Эйлера. Интерес к ним в первой четверти XIX века возродили работы французского математика Понселе, который предложил особый вид подливных колес новой конструкции. КПД колеса Понселе достигало 70%, что было совершенно недостижимо для других типов водяных двигателей. Изобретение Понселе стало важным шагом на пути к водяной турбине. Для того чтобы этот путь был пройден до конца, не доставало второго элемента турбины, описанного Эйлером – направляющего аппарата.
Впервые направляющий аппарат к водяному колесу применил профессор Бюрден в 1827 году. Он же первый назвал свою машину турбиной (от латинского turbo – быстрое вращение), после чего это определение вошло в обиход. В 1832 году первую практически применимую гидротурбину создал французский инженер Фурнейрон.
КПД турбины Фурнейрона достигал 80%. Созданная им конструкция имела громадное значение для дальнейшей истории турбостроения. Слух об этом удивительным изобретении быстро распространился по всей Европе. Специалисты-инженеры из многих стран в течение нескольких лет приезжали в глухое местечко Шварцвальда, чтобы осматривать работавшую там турбину Фурнейрона как великую достопримечательность. Вскоре турбины стали строить по всему миру. [7].
Практическая часть.
Этапы практической части:
Подготовительный:
Выбор модели гидротурбины.
Выбор материала, инструмента и изучение инструкции по технике безопасности при работе с инструментом.
Подготовка необходимого материала и инструмента.
Основной:
Изготовления рисунка.
Изготовление первичной модели.
Испытание и изучение полученных характеристик
Улучшение модели, внесение изменений.
Заключительные испытания.
Заключительный этап:
Анализ полученных результатов.
Обмен опытом.
«Ум без догадки гроша не стоит»
(Русская пословица)
Для изготовления модели мы рассматривали следующие доступные материалы: бутылки пластиковые, пакеты из под сока, пакет из под молока, трубочки коктейльные, трубочки от капельницы, корпус от авторучек, скотч, воск, пластилин и др. В качестве инструмента можно использовать нож (или нож канцелярский), шило, ножницы. Так же пригодятся доска для того, чтобы не испортить поверхность стола при нарезке материала.
Наш выбор был следующим: пластиковая бутылка не имеет углов, имеет жесткие стенки, не хрупкая, не «боится» воды. Трубочки для коктейля достаточного диаметра, можно подобрать любой длины, имеют необходимый изгиб, удерживают форму и достаточно легкие. Скотч, парафин пригодны для закрепления трубок и для устранения течи. Для первой модели достаточно использовать суровую нить, хотя модель будет не устойчива и может сместиться ось вращения из-за чего, скорее всего, будет происходить потеря скорости вращения.
Для начала мы сделали несколько отверстий на разной высоте в первой бутылке. Мы обнаружили, что чем ниже находится отверстие, тем вода образует более сильную и упругую струю, которая вырывается дальше тех, которые расположены выше. Поэтому мы приняли решение все отверстия расположить как можно ближе ко дну, а также использовать полуторалитровую бутылку, как самую высокую, а значит около дна будут самые сильные и быстрые струи воды.
Решили использовать 4 трубки. Сделав отверстия в бутылке, продели трубки и путем проб подобрали оптимальное положение и длину. Выяснилось, что трубки должны быть расположены на против друг друга, изогнуты в одном направлении так, чтобы изогнутые открытые концы трубок были друг другу параллельны и противоположно направлены, при этом немного наклонены вниз, а не параллельно полу. Экспериментируя, так же выяснили, что двигатель почти не подвижен, если трубки оставлять прямыми (не делать изгиб), а также пробовали направлять трубки «на встречу» попарно. Об этом мы сообщили нашим одноклассницам, у которых двигатель при первых испытаниях «не запускался». Также оказался совсем бесполезным изгиб трубок вниз или вверх.
Оставался последний момент, но не менее важный – это подвес. Используя геометрию, мы отыскали центр полученной окружности в пробке, проделав отверстие и закрепив на спичку, с внутренней стороны конец нити, получили подвес, который совпадал с осью вращения бутылки. Набрав воду в бутылку, мы получили достаточное вращение, но вода очень быстро вышла и вновь пришлось набирать воду. Необходимо было решить вопрос о постоянном поступлении воды в гидротурбину. К нам на помощь пришла одноклассница. Ей пришла в голову идея срезать дно бутылки и сделать отверстия в стенках так, чтобы протянутая нить через них, проходила центр бутылки, там же она и подвязала нить подвеса. Вода постоянно и беспрепятственно поступала в двигатель, в результате чего создавалось непрерывное вращение.
Заключение.
«В любой науке, в любом искусстве
лучший учитель – опыт»
Мигель де Сервантес
Создавая модель гидротурбины, мы понимали, что те знания, которые у нас есть – не достаточны, чтобы усовершенствовать двигатель, сделать его более мощным. К примеру, мы не совсем поняли, почему перевернутая бутылка вниз горлышком совершала больше оборотов, чем, казалось бы, устойчивая наша модель (горлышко вверху). Пытаясь самостоятельно разобраться в затруднениях, столкнулись с другими темами и вопросами, которые ещё не изучались на уроках физики. Находили ответы на одни вопросы, но тут же появлялись другие. Стало понятно, что иметь представление – это не значит знать физику. Так же мы поняли, что науку гораздо интереснее изучать выполняя самостоятельно эксперимент, создавая различные ситуации, которые помогут разобраться в изучаемой теме: «Что будет происходить, если изменять условия?» И материалы на столько доступны, что можно многократно меняя условия возвращаться вновь и вновь к эксперименту, проверяя свои догадки. Конечно, эксперимент на уроке, проведенный учителем – это интересно, и он дает представления об изучаемой теме. Но многократный собственный эксперимент – дает понимание и знание. И, конечно, намного интереснее изучать вопрос, когда рядом есть одноклассники, с которыми ты обмениваешься постоянно открытиями. Есть конкурс, где ты можешь продемонстрировать свою модель и сравнить с другими моделями, а ещё твоя модель демонстрируется на уроках! Ощущение того, что ты не только учишься, но и помогаешь учиться другим, вызывает очень приятные чувства.
В перспективе- разобраться с такой турбиной до конца. В девятом классе будем проходить тему «генератор электрического тока». Мы предполагаем вернуться к нашей последней модели турбины и попробовать получить свечение хотя бы самой маленькой лампочки от фонарика. Это и будет нашим проектом через два года. А пока будем продолжать работать в рамках кружка изучая другие не менее интересные темы.
Сегодня мы довольны достигнутым результатом, наша турбина была победителем, выполнив 18 оборотов за 20 секунд.
Список литературы
«Большая советская энциклопедия. Гидротурбина.» / http://bse.sci-lib.com/article010346.html
«Двигатель»/ (Материал из Википедии — свободной энциклопедии. ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель)
«Из истории воздухоплавания. Летательная машина Кибальчича»./ «Красная Нива», 1931г,№8, авт. Я.И. Перельман./ http://www.narovol.narod.ru/art/lit/perelman.htm
«Инженеры России»/ http://rus-eng.org/invention/Gidroturbiny.htm
«Классная физика для любознательных»/ http://class-fizika.narod.ru/o55.htm
«Минигэс своими руками», видео/ https://www.youtube.com/watch?v=IaDzf8qWHHk
«Музей гидроэнергетики», учебно- производственный информационный центр. / http://www.hydromuseum.ru/history-of-hydropower/ancient-ages/Vodyanoe_koleso/segnerovo-koleso-ot-kolesa-k-turbine
«Самодельная мини-ГЭС и её промышленные аналоги», Гидротурбина своими руками / http://electrik.info/main/master/354-samodelnaya-ges-i-ee-promyshlennye-analogi.html
«Сегнерово колесо» (Материал из Википедии — свободной энциклопедии. ru.wikipedia.org/wiki/Сегнерово_колесо)
«Техника: от древности до наших дней» /изд. Литагент Мельников, 2011г., автор Александр Ханников.
«Физика. 7 кл.»; учебник для общеобразовательных учреждений/М., Дрофа, 2018., авт. А.В. Перышкин.
«Физика. 9 кл.»; учебник для общеобразовательных учреждений/М., Дрофа, 2018., авт. А.В. Перышкин, Е.М. Гутник
7