VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Способ измерения веса плавающего корабля на электронных весах
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Всякое плавающее тело (речное или морское судно) является сложным сооружением, проектирование которого требует решения многочисленных и очень разнообразных вопросов, возникающих на пути разработки проекта. Вопрос, связанный с определением масс и координат центра тяжести судна является одним из важнейших вопросов при проектировании судна, поскольку от него зависят многие важные качества судна: мореходные качества, экономические показатели. Наибольшую сложность кораблестроители испытывают при определении массы судна порожнем.
В данной работе сделана попытка решить эту сложную задачу, а вес плавающего корабля предлагается измерять на точных электронных весах.
Цель работы: Самостоятельно разработать инновационный способ и устройство для измерения веса плавающих в жидкости тел, например, корабля:
Задачи: 1. - Проанализировать важность и необходимость разработки новогоспособа и устройства для измерения массы плавающих в жидкости тел;
2 - изучить информацию о существующих на сегодня способах определения веса плавающих в жидкости тел (речных и морских кораблей, подводных лодок и других крупных плавающих тел), изучить их преимущества и недостатки;
3 - предложить новый, более простой и точный способ для измерения веса плавающих в жидкости тел;
4 - разработать конструкцию макета предлагаемого устройства для измерения веса плавающих в жидкости тел, изготовить макет и провести экспериментальные исследования его работоспособности.
Предмет исследования: масса плавающего в жидкости тела (корабль);
Методы исследования: литературный и патентный обзоры, метод физического подобия, эксперимент.
Основная часть работы
Существующие способы определения веса судна.
Известен способ определения и анализа массы судна, включающий его позиционирование вне акватории и подъем с помощью средств подъема, измерение усилий, развиваемых при этом каждым средством подъема и последующее расчетное определение массы и координат центра тяжести судна на основе измеренных данных (см. патент US № 5178488, МПК В63С 1/00, дата публикации 12.01.1993). Недостатком данного способа является его ограниченная применимость на практике и высокая стоимость, обусловленная необходимостью использования специально оборудованного сухого дока.
Известен также способ определения веса судна и аппликаты его центра тяжести патент РФ № 2499722 от 27.11.2013года, где поставленная задача, рис.1, решается тем, что судно устанавливают на кильблоки, расположенные на стапель-площадке, а в промежутки между которыми, симметрично относительно диаметральной плоскости судна, на стапель- площадку укладывают средства подъема, выполненные в виде емкостей из гибкого воздухонепроницаемого материала с возможностью подачи в них сжатого воздуха и измерения внутреннего давления воздуха в каждой емкости, причем в процессе измерения емкости заполняют сжатым воздухом до тех пор, пока судно не будет поднято над кильблоками настолько, что при наклонении судна на предельно допустимое значение угла крена будет исключен контакт между днищем судна и кильблоками. Далее для каждой емкости измеряют внутреннее давление, площадь пятна контакта емкости с днищем судна и ординату центра тяжести площади пятна контакта относительно диаметральной плоскости судна, после чего определяют результирующую сил реакции упругих эластичных емкостей используя математические расчеты.
Недостатком данного способа является также его ограниченная применимость на практике и высокая стоимость, обусловленная необходимостью использования специально оборудованного сухого дока. Кроме этого, затруднено реальное выполнение предложенных технических задач. Такой массивный корабль, рис.2, трудно уложить на кильблоки, расположенные на стапель - площадке, и с помощью надувных резиновых подушек 4 (рис.1), поднять его на какую-то высоту относительно поверхности земли и заниматься при этом измерениями пятна контакта под резиновыми ёмкостями.
Рис.1. Схема измерения веса судна (патент№ 2499722РФ от 27.11.2013г.)
Рис.2. Корабль перед спуском на воду. Требуется определить его
вес, но как это сделать?
Измерить все, что поддается измерению,
а что не поддаётся - сделать измеряемым.
Г. Галилей
Инновационный способ измерения веса судна
Технический результат, считают авторы данной работы, достигается тем, что предлагается инновационный способ измерения веса судна любой величины и размеров путем измерения выталкивающей силы Архимеда, действующей на погруженное в жидкость (воду) судно при его неподвижном положении на плаву. Сущность предлагаемого способа измерения величины выталкивающей силы Архимеда, действующей на взвешиваемое судно и удерживающей его на плаву (выталкивающая сила Архимеда равна весу этого судна), заключается в следующем, (рис.3, рис.4, рис.5):
Судно, вес которого требуется определить, погружается в водоём, имеющий замкнутый по периметру контур берегов и известную площадь дна водоёма. Пользуясь законами Паскаля и Архимеда, зная особенности действия силы Архимеда и свойства жидкости оказывать равномерное давление на всю площадь дна сосуда (водоёма), мы пришли к выводу, что, измеряя давление на некотором небольшом участке дна, можно определить вес судна из соотношения площадей дна водоёма и площади измерительной платформы. Для этого устанавливается на дне водоёма весовая платформа с электронным датчиком давления, имеющим возможность передавать информацию в измерительную лабораторию по проводам или иным способом, рис.3, где дана схема установки весовой платформы, действие сил на дно водоёма и на весовую платформу от сил давления жидкости, которой наполнен водоём глубиной Н.
Рис. 3. Схема сил, действующих на дно и на весовую платформу, установленную в горизонтальной плоскости дна водоёма без плавающего судна, где: Рж – равнодействующая равномерно распределенных по всей площади дна водоёма сил от действия веса жидкости на дно водоёма; RДЖ - равнодействующая равномерно распределенных по всей площади дна водоёма сил (реакции дна) на действие гравитационной силы веса жидкости водоёма; Rвес.ж. - реакция весовой платформы на давление столба жидкости водоема высотой H, (площадь платформы S1) qж - удельное давление жидкости на горизонтальную плоскость дна водоёма.
qж = Рж /S, кг/ м2, где S – площадь дна водоёма;
На рис. 4. дана схема сил, действующих и на дно, и на весовую платформу, от действия сил веса жидкости Рж и веса судна G. Из схемы видно, что выталкивающей силе РА, действующей на судно, противодействует сила RА - реакция силы Архимеда. Также видно, что на весовую платформу действуют силы давления жидкости водоёма, вызывая реакцию Rвес.ж, и силы давления жидкости Rвес.G , вызванные весом судна G, которое удерживается на плаву силой Архимеда РА. Сила Архимеда РА, опирающаяся через жидкость на дно водоёма, вызывает реакцию силы Архимеда RА (равную по величине и противоположную по направлению выталкивающей силе РА), которая является равнодействующей множества сил, равномерно распределенных по всей площади дна водоёма и направленных к центру Земли.
Важной величиной при определении действительного веса плавающего тела (корабля) является коэффициент К . ( К = 65);
К = S/S1 , где S – площадь дна водоёма, м2; S1– площадь платформы, м2;
Рис. 4. Схема сил, действующих на дно и на весовую платформу, от действия силы веса жидкости Рж и веса судна G. где:
G – сила веса исследуемого судна; RдG - равнодействующая равномерно распределенных по всей площади дна водоёма сил ( реакции дна) на действие гравитационной силы ( веса) судна G; Рж – равнодействующая равномерно распределенных по всей площади дна водоёма сил от действия веса жидкости на дно водоёма; RДЖ - равнодействующая равномерно распределенных по всей площади дна водоёма сил ( реакции дна) на действие силы веса жидкости водоёма; РА – выталкивающая сила Архимеда, действующая на судно;RА – реакция силы Архимеда, равная по модулю и противоположно направленная выталкивающей силе Архимеда; Rвес. ж- реакция весовой платформы на давление столба жидкости водоема высотой H1; Rвес.G - реакция весовой платформы на действие силы давления жидкости, вызванной весом G плавающего судна; q - удельное давление на дно водоёма, создаваемое реакцией силы Архимеда RА .
q = ( RА + Рж ) /S, кг/ м2, где: S – площадь дна водоёма;
Для повышения точности измерений, используя возможности электронных весов, перед спуском судна в водоём весы обнуляются (режим без учета веса тары), а когда судно будет спущено на воду и спокойно стоять на плаву, весы укажут величину давления жидкости на весовую платформу. Зная соотношение площадей весовой платформы и дна водоема,определяется реальный вес самого судна. На рис. 5. дана схема сил, действующих на дно и на весовую платформу, от действия силы веса судна G и без учета веса жидкости водоёма (перед спуском судна в водоём показания электронных весов обнуляются и весы регистрируют только вес судна без учета давления столба жидкости на весовую платформу),
Рис. 5. Схема сил, действующих на дно и на весовую платформу, от действия силы веса судна G без учета веса жидкости водоёма.
где : G – вес судна; РА – выталкивающая сила Архимеда, действующая на судно; RА – реакция силы Архимеда, равная по модулю и противоположно направленная выталкивающей силе Архимеда; RДG - равнодействующая равномерно распределенных по всей площади дна водоёма сил ( реакции дна) на действие силы веса судна; qG - удельное давление на дно водоёма, создаваемое реакцией силы Архимеда RА при измерении веса судна; Rвес.G. - реакция весовой платформы на действие силы веса судна G; Н1 – высота водяного столба водоёма с плавающим судном.
Площадь весовой площадки S1 определяется расчетами и зависит от габаритных размеров водоема и масс плавающих тел.
2 . Эксперимент
Одной из задач работы была разработка конструкции макета предлагаемого устройства для измерения массы плавающих в жидкости тел, изготовить макет и провести экспериментальные исследования его работоспособности. Для реализации разработанного проекта мы сделали следующее:
Для изготовления устройства использовали пластиковую прямоугольную емкость, рис. 6, с площадью дна S =720см2, просверлили в дне этой ёмкости отверстие диаметром 38мм, приклеили по периметру отверстия тонкую полиэтиленовую пленку шарообразной формы, выступающую на 15…20мм ниже днища ёмкости;
Подобрали корабль – игрушку для определения его веса, а так же с возможностью установки на этот корабль дополнительных грузов с целью снятия данных и построения графика зависимости показаний весов и действительного веса корабля;
В эксперименте были использованы электронные весы ACOM, модель JW1.(Южная Корея). Точность измерения 0,01г., допустимый наибольший вес груза при взвешивании - 200г.;
Для возможности использования этих электронных весов, изготовили из деревянных брусков подставки, на которые установили пластиковую емкость с залитой в неё водой таким образом, что отверстие, с выступающей из него тонкой полиэтиленовой пленки шарообразной формы, оказалась по центру чаши весов;
Расстояние между днищем пластиковой ёмкости и чашей весов, рис.5, сделали 3мм. В этом случае, при наполненной водой емкости, статическое давление жидкости, действующее на дно этой ёмкости, передается и на площадку чаши электронных весов благодаря эластичности пленки. Весы фиксируют это давление и выдают цифровой результат в граммах на экран.
имРис.6. Измерение веса корабля без груза. Рис.7. Измерение веса корабля с грузом.
2.1.Результаты экспериментальных исследований.
Для взвешивания корабля в ёмкость налили холодной воды из под крана, уровень воды составил 5см. Далее ёмкость установили на подставки, рис. 6, установили под ёмкость весы и обнулили их, включив кнопку «тара». После этого были проведены измерения с погружением корабля на воду и установкой на него дополнительных грузов, рис.7:
Величина плавающего груза (корабля),кг. Показания весов, кг.
0 0
0,1958 0,0032
0,4252 0,0066
0,5010 0,0077
0,5953 0,0091
Учитывая, что К = S/S1 = 65, можно, зная показания весов, узнать действительный вес плавающего тела (корабля). Например, на весах 0,0077кг, значит G = 0,0077 65 = 0,5005кг.
Заключение
В работе дан анализ различных способов измерения массы крупных плавающих в жидкости тел (кораблей), разработан новый способ и устройство для измерения массы плавающих в жидкости тел на точных электронных весах. Применение метода физического подобияпозволило разработать экспериментальную установку–макет для измерения веса крупных плавающих тел (кораблей). Экспериментально подтверждена справедливость теоретических предпосылок для разработки и внедрения способа измерения массы плавающих в жидкости тел на точных электронных весах. Предложенный способ и устройство для измерения массы плавающих в жидкости тел на точных электронных весах, а так же материалы, собранные в работе, могут быть использованы на уроках физики при изучении темы «жидкость», «закон Архимеда», а также судостроителями для определения порожней массы корабля при его спуске на воду. Эксперименты, описанные в работе, расширяют познания о способах измерения и могу быть использованы при
разработке лабораторных работ по физике, а также в проектных и творческих работах учащихся.
Список литературы:
1. В. Х. Нгуен. Методика определения массы и координат центра тяжести судна порожнем с деревянным корпусом // Молодой ученый. — 2010. — №1-2. Т. 1. — С. 94-100;
2. А.В. Перышкин. Учебник физики для 7 класса - М.: Просвещение, 2013г;
3. Осипов Н.Е., Тимохина И.Н., Осипов А.Н: Вновь открытая сила и новая формулировка закона Архимеда.Сборник статей X Международной научно-практической конференции. в 2ч. Ч. 1–Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение». –2018.
4. Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. с нем. / Под ред. Е.М. Лейкина.- М.: Мир, 1982.-520с;
5. Патент US № 5178488, МПК В63С 1/00, дата публикации 12.01.1993г.
6. Г.С.Ландсберг (Элементарный учебник физики), т.1, М,1972, стр-356с.; А.В.
. Интернет ресурсы:
а. Википедия. Объем. ru.wikipedia.org/wiki/ Категория единицы измерения объема;
б. История измерения объема http://uztest.ru/abstracts/?idabstract=216487