Исследование физических основ безопасности движения мотоцикла

МАОУ «СОШ д. Большие Боры»

Исследовательская работа

«Исследование физических основ

безопасности движения мотоцикла»

                                Выполнил:

Яковлев Юрий

ученик 10 класса

МАОУ «СОШ д. Большие Боры»

Старорусского района

Новгородской области

Руководитель:

                         Трофимова О.Е.

учитель физики                                              

2017

ПЛАН:

1. Введение………………………………………………………стр. 3

2. Теоретическая часть………………………………………….стр. 4-6                                      

Физические основы движения мотоцикла

1.  Устойчивость и управление
2.  Движение под действием силы трения
3.  Кинематика движения мотоцикла
4.  Движение по мокрой дороге (аквапланирование)

3. Практическая часть……………………………………………стр. 7-11                                        

1.  Анкетирование школьников «Безопасный мотоцикл »
2.  Анализ карты местности
3.  Метод нахождения радиуса дуги окружности
4.  Определение  скоростей на поворотах
5.  Систематизация правил для мотоциклистов

4. Заключение………………………………………………………стр. 12

5. Список литературы ……………………………………………..стр. 13                                        

6.  Приложения……………………………………………………….стр. 14

1. Введение

Актуальность выбранной темы

 Физика сопровождает нас повсюду, в том числе и на дороге. Мы должны понимать всю полноту ответственности за дорожную безопасность, которая ложится на нас, как участника дорожного движения. 

В этой работе мы исследуем  физические основы движения мотоцикла и их влияние на безопасность движения мотоциклиста.

Цель

Исследовать физические основы движения мотоцикла

Выяснить, как действие законов физики определяет безопасное движения на мотоцикле.

Задачи исследования

- поиск теоретического материала о мотоциклах в литературе, СМИ;

- проведение анкетирования среди школьников

- систематизация найденного материала;

- разработка рекомендации для мотоциклистов по вопросам безопасности;

- разработка и создание презентации работы

Объект исследования – мотоцикл

Предмет исследования – как законы физики влияют на безопасное вождение мотоцикла

Методы – Наблюдение Измерение Эксперимент Анализ Моделирование

Обобщение Систематизация Беседа Анкетирование

Гипотеза – физические явления и законы являются определяющими при эксплуатации мотоцикла

Практическая значимость – данное исследование позволяет осмысленно использовать такое опасное транспортное средство как мотоцикл, выполнять  правила дорожного движения, а также применять полученные знания в практике вождения и повышения мастерства водителя, а значит, снизить травмоопасность движения.                            

2. Теоретическая часть

Физические основы движения мотоцикла

2.1. Устойчивость и управление

Способность мотоцикла сохранять во время движения направление, заданное водителем, и положение относительно дороги называется устойчивостью.

Когда мотоцикл движется с малой скоростью, устойчивость обеспечивается маневрированием. Если мотоцикл движется по прямому шоссе, то его траектория – прямая. Если машина исправна, конструкция сама обеспечивает устойчивость на высоких скоростях. Большую роль играет поворот переднего управляемого колеса мотоцикла вокруг не вертикальной, а наклонной оси.

Что будет происходить, если поворачивать руль, не нарушая вертикального положения мотоцикла? Если ехать с самой малой скоростью, то центробежная сила, зависящая от квадрата скорости, настолько мала, что плавный поворот на малой скорости выполняется практически без наклона мотоцикла. А на наклон влияет также профиль шины и ее ширина.

Выполняя, например, поворот влево, мы сначала наклоняем мотоцикл, а затем уже поворачиваем руль, создав центробежную силу, которая "подхватывает" машину, не давая ей упасть.

Что будет с мотоциклом, если при прямолинейном устойчивом движении его отпустить на свободу? Если скорость не слишком велика, мотоцикл в конце концов начнет валиться. Переднее колесо довернется на какой-то угол в сторону наклона, появится центробежная сила, возвращающая мотоцикл к вертикали. Если дорога ровная, а мотоцикл идеально отрегулирован, эти случайные отклонения не страшны для мотоцикла.   Если механизмы мотоцикла работают не так четко, то его отклонения могут быть большими, вплоть до того, что падение произойдет почти сразу.  На мотоцикле ничто не должно мешать плавному, равномерному повороту руля. Даже небольшое заедание в подшипниках способно заметно ухудшить устойчивость. Чем туже вращается руль, тем труднее делать им точные движения - он поворачивается скачками, а мотоцикл рыскает в стороны.

Рассмотрим дефекты систем управления мотоцикла. Чаще всего это износ колец подшипников руля. При этом шарики при работе откатываются от своих средних положений на небольшое расстояние, в результате чего со временем на дорожках качения появляются углубления, куда шарики стремятся вкатиться в соответствии с законами физики. При глубине таких "лунок" в несколько сотых миллиметра руль начинает в каких-то положениях заедать, если даже слегка подтянуть его гайку. Перетянешь гайку - мотоцикл  несет туда, куда ему удобней. Недотянешь – появятся стуки.

Устойчивость мотоцикла легко нарушить также, если он по какой-либо причине утрачивает свою одноколейность.  Это бывает результатом неумелой регулировки натяжения цепи, если при этом нарушается положение плоскости вращения заднего колеса относительно рамы.

Устойчивость мотоцикла зависит также от того, как он нагружен. Если мотоцикл нагружен несимметрично,- например, перевешивает правый борт, тогда при прямолинейном движении руль "тянет" в одну сторону, не позволяя водителю и на секунду расслабиться. Каждый, кто так ездит, знает, какие усилия надо "удерживать" рулем.

2.2. Движение под действием силы трения

Сила трения направлена противоположно скорости движения тел. Поэтому  ее действие приводит к уменьшению скорости тела. И тело останавливается. Тормозной путь вычисляется по формуле s = v02 / 2µg

2.3. Кинематика движения мотоцикла

При равномерном прямолинейном движении скорость, путь и время связаны формулой: 

При равноускоренном прямолинейном движении справедливы формулы:

При равномерном движении тела по окружности

(по выпуклому мосту) центростремительное ускорение, где v- скорость автомобиля; r- радиус кривизны.

Следует учесть, что в условиях нашего рельефа местности дороги имеют огромное количество подъемов и спусков, поворотов, а это - движение по дуге окружности. Так, мотоцикл, движущийся по выпуклому мосту легче того же мотоцикла, неподвижно стоящего на том же мосту. Вес мотоцикла в верхней точке моста определяется по формуле:

При некоторой минимальной скорости , когда  автомобиль потеряет опору, а значит и управление, - он взлетает! Если же мотоцикл в нижней точке моста, выпуклого вниз, то вес его увеличивается на mg.

Небезопасным является также движение мотоцикла на повороте.

Расчет предельной скорости на повороте выполняется по формуле

R = v2 / µg

2.4. Движение по мокрой дороге (аквапланирование)

 "Аквапланирование» может быть опаснее гололедицы!
Коэффициент сцепления автомобильной шины с чистым, сухим асфальтом – около 0,8. С мокрым – раза в полтора-два меньше. Еще хуже сцепление шин со льдом, где умелое управление невозможно без специальных навыков.
   Аквапланирование отличается тем, что шина, скользя по воде, непосредственного контакта с покрытием дороги не имеет. Здесь коэффициент сцепления – нуль.

   Исследования выявили, что по мере роста скорости перед колесом появляется водяной валик, а снизу, перед зоной контакта, шину приподнимает "водяной клин" (рис.). Подъем тем сильнее, чем выше скорость. Напор воды при скорости 72 км\ч составит больше 300 кг/дм2.   Если резина шин изношена, то аквапланирование ещё опаснее.  Также опасность будет представлять гладкий асфальт.     Кроме того, в поездке по извилистой дороге с небольшими лужами легко установить свой "скоростной порог": если в лужах колеса срываются в "букс", проскальзывают, машину водит в стороны, то въезжать с этой скоростью в большую лужу неразумно. 

3. Практическая часть

1.  Анкетирование школьников «Я и мотоцикл»

(опрос среди школьников 7-11 классов)

Число опрошенных: 29

Вопросы анкеты:

1.  С какого возраста можно управлять мопедом (скутером)?
2.  С какого возраста можно управлять мотоциклом?
3.  Нужно ли получение прав на управление мопедом?
4.  Нужно ли получение прав на управление мотоциклом?
5.  Использовал  шлем при поездке на мотоцикле в качестве пассажира?
6.  Есть ли у тебя право вождения мотоцикла?
7.  Являлся ли ты водителем мотоцикла при отсутствии права на его вождение?
8. Знаешь ли ты, какие физические явления «работают» для мотоцикла?

Результаты анкетирования:

• Знают о возрастных ограничениях на право вождения - 80%;
• Знают о необходимости наличия прав на управление мотоциклом (категория «А») - 40%

• Нарушают правила (управляют скутерами и мотоциклами без прав) – 25%

• Используют защитный шлем – 1 %
• Были участниками ДТП – 0 %
• Знают о физических явлениях, «работающих» при использовании мотоцикла - 42 %

2.  Анализ карты местности

Провели анализ ландшафта нашего микрорайона и выяснили, что на наших дорог много опасных поворотов и спусков.

Выявлено особо аварийное место в деревне Кобякино, где сочетается сразу три поворота с крутыми спуском и подъемом.

1 – крутой поворот налево

2 поворот - направо и с горы.

3 поворот – налево к мосту и далее в гору.

Эти участки аварийно опасны. Поэтому необходимо определить радиус окружностей поворотов и рассчитать скорость на поворотах.

3.  Метод нахождения радиуса дуги окружности

1. Определить две произвольные точки А и В и соединить их хордой.

2. Построить серединный перпендикуляр к хорде АВ

3. Точки А1 и В1, соединить хордой А1В1

4. Построить серединный перпендикуляр к хорде А1В1

5. Точка пересечения серединных перпендикуляров - центр

окружности.

6. Найти радиус R=OB=OB1=OA=OA1

4.  Определение  скоростей на поворотах

Цель: выяснить, какую скорость должен держать водитель мотоцикла на поворотах.

Теоретическое обоснование:

 На повороте F тр = F ц 

µmg = mv2 / R

v=VRµg

Вычисления:

Поворот 1:

R =   21 м ; µ = 0,8

v=VRµg = 13 м\с = 46 км\ч

Поворот 2:

R =   14 м ; µ = 0,8

v=VRµg = 11 м\с = 40 км\ч

Поворот 3:

R =  82 м  ; µ = 0,8

v=VRµg = 26 м\с = 93 км\ч.

Вывод: очевидно, что полученный результат далёк от реального, поскольку в расчётах есть погрешности:

измерение радиуса по карте;

формула не учитывает много других факторов: угол наклона мотоцикла, сопротивление воздуха, ширину дороги, а также наличие спусков и подъемов в поворотах.

Поэтому мы решили обратиться за помощью к опытным мотоциклистам.

Выяснилось, что необходимо не только сбрасывать газ на поворотах, но и делать это в определенных точках, стараясь двигаться по траектории, указанной на рисунке.

5. Систематизация правил для мотоциклистов

Мы должны понимать всю полноту ответственности за безопасность на дороге, которая ложится на нас, как участника дорожного движения.

Преподаватель автошколы не только обучил нас правилам дорожного движения на мотоцикле, но и поделился с нами житейским опытом, который мы обобщили в 50 правил для мотоциклиста и распечатали данный материал в виде книжки, которую поместили на стенде «Безопасность движения».

Данный материал в открытом доступе будет полезным для тех юношей, кто решил в совершенстве овладеть техникой вождения мотоцикла.

Вот некоторые из этих правил:

1. Вежливость – лучший аргумент в любом споре. Подумай об этом перед тем, как кого-то подрезать, или обсыпать гравием. А вдруг там один из твоих хороших знакомых, которых ты не хочешь огорчать.
2. Зеркала заднего вида не могут отразить весь мир. Если нужно изменить свое направление – поверни голову назад, никогда не оставляй без внимания слепую зону.
3. Если ты видишь, что покрытие скользкое, значит продолжай движение с учетом что это именно так. Пятно на пути может означать все, что угодно – от разлитого масла, рассыпанных гвоздей до обмана зрения. Если ты притормозишь, то сбережешь себе кости, суставы и байк.

4.  Заключение

Результатом нашего исследования стали те знания, которые мы приобрели в итоге:

1. При движении и маневрировании транспорта на трение надежды мало. Невелики значения коэффициентов трения (а если к тому же дождь или гололедица...). И как бы ни были мощны двигатели машин, все равно силу тяги больше, чем максимальная сила трения между двигателем (колесом) и дорогой не разовьешь. Нельзя забывать и о габаритах транспортного средства, ведь инерцию, центр тяжести, влияющий на устойчивость, благоприятные или неблагоприятные погодные условия никто не отменял. Поэтому дорожные службы ставят перед поворотами знаки, ограничивающие скорость движения транспортных средств, чтобы не было страшных бед и трагедий на дорогах.
2. Для каждого, кто решит стать водителем мотоцикла, необходимо знание не только правил дорожного движения, но и его физических основ.
3. Проведенное исследование оказалось полезным для более полного осознания того, как важны физические знания для грамотного водителя, что и подтверждает выдвинутую нами гипотезу.
4. Впереди – лето. Надеемся, что все ребята, получившие наши памятки и рекомендации, будут выполнять все правила. А значит – сберегут не только свою, но и чужую жизнь.

5. Список литературы

1. А.В. Перышкин, Е. М. Гутник. Физика. 9 класс. Учебник. «Дрофа», 2003
2. В.А. Касьянов. Физика. 10 класс. Учебник. «Дрофа», 2009
3. Мир механики и техники, Росмэн, 2000
4. Энциклопедия «Техника», Росмэн, 1998
5. Интернет-ресурсы:

http://oppozit.ru/article-print-123.html

http://www.autodealer.ru/apedia/speed.php

http://www.zr.ru/articles/39813/