IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Предмет физика меня интересует уже давно. Мне интересно узнавать про разные гениальные изобретения. Два года подряд я изучал механизмы передачи движения, а в этой работе мне хочется исследовать свойства пружины, ее происхождение и применение.

Пружина — один из самых широко применяемых элементов механизмов, конструкций, приборов. Используется для компенсации размерных неточностей, износа, снятия вибраций, как накопитель энергии, для простого измерения давления, веса, усилий и ускорений. Известны такие применения пружин в мягкой мебели, лифтах, в пружинных весах, пружинных булавках, часах, в игрушках.

Играя с маленьким братом с игрушкой пружинкой, меня навела на мысль: «А как создаются пружины, почему они разные по упругости, жесткости?»

Таким образом, мы определили тему исследования:

Тема: Исследование свойств пружин.

Цель исследования: Исследование свойств пружины и создание ее модели.

Задачи исследования:

Изучить основные виды пружины и их предназначение.

Создать модели пружины для исследования.

Методы исследования:

Теоретические (изучение литературы, Интернет сайтов, и т.д.).

Математические (расчёт по физическим формулам)

Объект исследования: Пружина.

Предмет исследования: Свойства - жёсткость пружины.

2.Основная часть.

2 .1 Теория о пружине

Пружина - упругий элемент машин и различных механизмов, накапливающий и отдающий, или поглощающий механическую энергию.

С точки зрения классической физики, пружину можно рассматривать как устройство, накапливающее потенциальную энергию путём изменения расстояния между атомами эластического материала.

 Пружины использовались людьми с незапамятных времен. В первую очередь, конечно, в оружии. Древние луки изготавливались из дерева или рогов животных. Прочность и упругость этих материалов была достаточной, чтобы метко пущенная стрела, оказалась смертельной.

Спиральные пружины были изобретены в начале пятнадцатого века.

С возникновением паровых машин и транспорта, пружины стали производить из металлов и их сплавов давлением, то есть кузнечным способом.   Усовершенствование машинного производства требовало изготовления различных по форме пружин: витых, спиральных и фасонных. Большая потребность в пружинах вызвала необходимость создания специальных станков для их производства — пружинонавивочных, отличающихся большой производительностью при относительно высокой точности изготовления.

Теперь все пружины унифицированы и стандартизированы. Они изготавливаются в полном соответствии с ГОСТ-ми. Пружины растяжения и сжатия очень похожи. Только у одних витки прижимаются друг к другу, а у других находятся на расстоянии.

Типичные примеры разнообразия использования современных пружин простираются от маленьких спиралей для поддержки кнопок на сотовых телефонах с сенсорной панелью, до огромных спиралей, поддерживающих целые здания и защищающие их от колебаний земли во время землетрясений.

С егодня существуют пружины растяжения, сжатия, изгиба и кручения. Все они объединяются тем, что в них используется сила упругости материала. Под воздействием силы, приложенной извне, она изменяет свою форму, а потом принимает прежнюю форму, воздействуя на соседние детали.

Приведенная выше информация указывает на то, что есть огромное количество различных видов пружин, которые применяются в качестве основных элементов различных механизмов.

Основные параметры пружин:

количество витков

шаг витка

диаметр проволоки

предельно воспринимаемая нагрузка

линейная зависимость между деформацией (осадкой) пружины и нагрузкой, приложенной к ней.

Сила упругости появляется только при деформации тела и исчезает, если пропадает деформация.

Роберт Гук установил зависимость силы упругости от величины деформации.

Если деформация является небольшой и упругой, то удлинение пружины (Δl) прямо пропорционально деформирующей силе: F =k Δl

где k - коэффициент пропорциональности называется жесткостью пружины (коэффициентом упругости). Это и есть закон Гука.

Жесткостькак физическая величина характеризует силу, которую нужно приложить к пружине для достижения определенной степени растяжения или сжатия.

2.2 Создание пружин

Ц ель: Создание пружины сжатия, растяжения и исследование ихвозможностей в действии.

Чтобы создать пружину сжатия и растяжения, я просмотрел в интернете несколько видео как создать пружины. Далее я приобрел материал и приборы: проволоки разных сплавов и диаметров, фанера, несколько металлических трубок разных диаметров, тиски.

Создание пружин: Распилил фанеру на две части. Поставил эти две части фанеры по краям зажимов тисков. Для изготовления пружин были взяты металлические трубки разных диаметров (7 мм, 14 мм, 22 мм).

М ежду пластами фанеры вставлялись разные металлические трубки. Пример на одном из фото – трубка диаметром 22 мм.

Для изготовления пружин мне понадобилось их сделать множество пружин, так как с первого раза пружина необходимых параметров у меня не получалась.

Создание пружины растяжения:

В отверстие трубки была вставлена проволока диаметром 1,2мм(сплав с содержанием меди) и 1мм(сплав с содержанием стали и алюминия) и я стал накручивать проволоку на эту металлическую трубку. В процессе закручивания проволока была параллельно виткам. В итоге получились две пружины диаметром 1 см и одинаковой длинны.

Вывод: одна пружина растягивается, а вторая нет. Значит растяжение пружины зависит от материала проволоки.

Создание пружины сжатия:

Метод создания пружины растяжения похож на методом создания

пружины сжатия. Но проволока накручивается под углом.

Вывод: создавая пружину сжатия мы заметили, что чем больше диаметр пружины, тем больше становится промежуток. И такие пружины сжимаются и растягиваются.

2.3 Способы определения жесткости.

Жесткость (как свойство) - это характеристика упругих свойств пружины.

Жесткость считают возможностью тела оказать противодействие внешней силе, способность сохранять свои геометрические параметры. Чем больше жесткость пружины, тем меньше она изменяет свою длину под воздействием заданной силы.

1 способ определения жёсткости: По закону Гука.

Эта формула показывает, что жесткость тела численно равна отношению силы упругости (которая равна весу тела, если тело находится в покое) к удлинению пружины.

Определим жёсткости двух пружин по закону Гука.

2 способ определения жёсткости: по формуле.

Коэффициент жесткости пружины зависит от материала, из которого сделана пружина и ее геометрических характеристик. Например, коэффициент жесткости пружины, которая намотана из проволоки круглого сечения, подвергаемая упругой деформации вдоль своей оси может быть вычислена как:

K = G *d⁴ \ 8 * D³ * n,

где G - модуль сдвига (величина, зависящая от материала);

Модуль сдвига — физическая величина, характеризующая способность материала сопротивляться сдвиговой деформации. См. в таблице.

Для стали = 78500 * 10 ⁶ Па.

 d - диаметр проволоки; 

D - диаметр витка пружины; 

n – число витков

По данной формуле мы не можем определить жёсткость, т.к. точно не знаем материал, из которого изготовлены пружины.

2.4. Экспериментальное определение зависимости жёсткости пружины от её характеристик.

Определение зависимости жёсткости пружины от её диаметра.

Чем больше диаметр пружины, тем меньше жёсткость- это понятно визуально.

Определение зависимости жёсткости пружины от числа витков.

Вывод: Чем больше витков в пружине, тем жёсткость меньше.

Определение зависимости жёсткости пружины от её диаметра проволоки.

Чем больше диаметр проволоки, тем больше жёсткость.

2.5. Получение большей и меньшей жёсткости с помощью двух одинаковых пружин.

П оследовательное соединение пружин.

Вывод: Общая жёсткость двух пружин, соединённых последовательно, становится меньше, чем жёсткость одной пружины. Такой способ не используется на практике.

П араллельное соединение пружин.

Вывод: При параллельном соединении двух пружин, общая жёсткость увеличивается. Такое соединение используется в механизмах.

Заключение.

Выбрав данную тему, я не думал, что работа окажется трудной. Чтобы создать пружину своими руками мне пришлось немало потрудиться.

Свойства пружины тоже оказались не простыми.

Здесь всё важно: и материал, и диаметр, и толщина проволоки, и количество витков в пружине. От всех этих характеристик и зависит главное свойство пружины – жёсткость. А затем, пружина идёт в жизнь: снимает вибрации, накапливает энергию, используется в приборах для измерения давления, веса, усилий и ускорений, а также применяется в мягкой мебели, лифтах, часах и игрушках.

В работе нами экспериментально определены жёсткости нескольких пружин. Выяснено, от каких параметров зависит жёсткость.

А также мы узнали о способах изменения жёсткости. Это способ последовательного и параллельного соединения пружин.

Таким образом, нам стало понятно, что свойство пружины – жёсткость определяет её энергию и упругость. Именно эти данные важны при использовании пружин в механизмах.

Надеюсь, что навыки, приобретённые в данной работе, будут полезны мне в дальнейшем и при обучении, и в практике.

4.Список литературы.

https://stankiexpert.ru/tehnologicheskaya-osnastka/zapchasti/vidy-pruzhin.html

https://nmkn.ru/company/news/vidy_pruzhin_szhatiya/

https://spravochnick.ru/fizika/zhestkost_pruzhiny_formula/

https://www.webmath.ru/poleznoe/fizika/fizika_130_formula_zhestkosti_pruzhiny.php

http://istoriz.ru/pruzhina-istoriya-izobreteniya.html

https://obrazovaka.ru/fizika/zakon-guka-formula-i-opredelenie.html