ФИЗИКА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ МОСТОВ. РАЗВОДНОЙ МОСТ

МКУ Управление образования Златоустовского городского округа

МБОУДОД «Дворец  детского творчества»

ГБУПОУ «Златоустовский педагогический колледж»

Научное общество учащихся начальных классов Златоустовского городского округа

Конференция исследовательских работ учащихся начальных классов

Физика в строительстве мостов. Разводной мост.

Выполнил: Сидякин Всеволод,

ученик 4 класса  «б»

МАОУ СОШ №10

Научный руководитель:

Фролова Екатерина Владимировна

Златоуст

 2019

                                              Оглавление

      Введение                                                                                                   3

1. Понятие мост. Силы, действующие на мост.                                              5

1. . Сила упругости. Закон Гука.                                                                      6
2. . Сила тяжести. Закон Всемирного тяготения.                                           6
3. . Сила трения.                                                                                                 7
4. . Рычаг. Равновесие сил на рычаге.                                                              7
5. . Физические явления,  действующие на конструкцию моста.                  7                                                                          

2. Разводной мост.                                                                                              8
3. Демонстрация модели разводного моста.                                                    9
4. Заключение.                                                                                                    10
5. Библиографический список.                                                                         11
6. Приложение.                                                                                                   12

Введение

      Отрасль строительства связанная с возведением мостов называется, мостостроение.

      При строительстве мостов учитываются различные законы физики и физические явления. Я выбрал эту тему потому что, мне стало интересно узнать, как возводились мосты, какие технологии строительства использовались и как физика связана с мостостроением.

      Любая форма вещества неизбежно подвергается действию физических процессов, таких как тепловое расширение или колебательные движения, связанные с резонансом отражения и фокусировании звука. Заинтересовавшись, я решил изучить  применение вышеупомянутых законов физики  и физических явлений в строительстве моста.  Действие законов физики могут изменяться в зависимости от различных внешних факторов: ветра, температуры воздуха, осадков.

        Актуальность моей работы заключается в том, что она является  практической проверкой  взаимосвязи физики в возведении мостов. Изучение науки, позволяет использовать  знания  в современном  строительстве мостов. Учитывая их, мы стремимся: к экономии металла и снижению трудозатрат при изготовлении и монтаже строений. Достигается это с использованием сталей повышенной прочности, эффективных типов монтажных соединений, внедрением прогрессивных конструкций пролетных строений.

      Мое увлечение легоконструированием, позволило мне изучить работу разных механизмов и собирать разные модели. Поэтому я решил сконструировать модель разводного моста и на нем объяснить использование законов физики.

       Цели работы:

1. Определить степень влияния физических сил  и законов на состояние моста.
2. Изучить  законы физики, благодаря которым работают простые и сложные механизмы.

Для того чтобы выполнить данную работу необходимо решить следующие задачи.

         Задачи исследования.

1. Познакомиться с историей строительства мостов и изучить их виды.
2. Определить физические законы и явления, связанные со строительством   моста.
3. Разработать и сконструировать модель разводного моста с помощью конструктора LEGO Education EV.
4. Продемонстрировать работу моста.

       Объект исследования: разводной мост с практической проверкой законов физики на данной модели.

       Предмет исследования: модель разводного моста, созданного с помощью конструктора LEGO Education EV

       Гипотеза: модель моста будет работать при условии, что все деформации моста будут упругими.

1. Понятие мост. Силы, действующие на мост.

      Мост — искусственное сооружение, перекинутое через реку, овраг, озеро или другое физическое препятствие. По назначению мосты подразделяются на автодорожные, железнодорожные, пешеходные, совмещённые и другие. По материалу основной конструкции мосты различают - каменные, железо-бетонные, стальные, деревянные. В зависимости от конструкции мосты бывают балочные, висячие, комбинированные. Особая группа мостов разводные и сборно-разборные. Многие мосты являются выдающимися памятниками зодчества и инженерного искусства. Своими мостами знаменит Санкт-Петербург, где почти все мосты через Ниву являются разводными, а также в Лондоне Тауэр Бридж разводной мост через Темзу открыт в 1894 году. Мосты являются визитной карточкой города.

       Как правило, мосты состоят из пролетных строений и опор. Пролетные строения служат для восприятия нагрузок и передачи их опорам. Опоры переносят нагрузки с пролетных строений на основание моста.

       Мосты должны быть не только прочными, жесткими, устойчивыми, но самое главное надежными, поскольку опираются малой площадью своих фундаментов на грунт, который в большинстве случаев находятся в водоемах или рядом с ними. Физические свойства материалов и физические законы определяют, насколько прочным будет мост. При создании конструкции моста необходимо учитывать, как по конструкции распределяются силы, действующие на мост. Конструкции мостов испытывают все виды деформаций: сжатия и растяжения, изгиба, кручения, сдвига. Чтобы мост долго служил, необходимо, чтобы деформации были упругими, то есть исчезали после снятия нагрузки. Для того чтобы мост был стабилен, необходимо, чтобы все приложенные к нему силы находились в равновесии. Так мы подошли к Закону Гука: сила упругости должна быть прямо пропорциональна  абсолютному удлинению.

1. Сила упругости. Закон Гука.

        Английский испытатель Гук заметил, что при каждом упругом воздействии на объект появляется сила, которая возвращает его в исходную форму. Это и послужило началом экспериментов.

Сила упругости появляется только тогда, когда тела деформируются. Под тяжестью автомобилей дорожное полотно моста будет прогибаться, а стальные ванты растягиваться. По закону Гука возникнет сила упругости. Поэтому, конструкция моста должна обладать жесткостью, прочностью и устойчивостью.  Жесткость – это способность тела или конструкции сопротивляться образованию деформации.   Прочность – это  способность материала сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы под действием внешних нагрузок.  Устойчивость моста -  это способность находится под действием сил в равновесии, почти не отклоняться при лёгких толчках, порывах ветра.  И после незначительного отклонения возвращаться в положение равновесия.

 Сила упругости неразрывно связана с силой тяжести, а также с весом тела. Вес -  это разновидность силы упругости, т.е.  сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес за счет притяжения к Земле.

1.2.  Сила тяжести. Закон Всемирного тяготения.

      Сила тяжести - это та сила, которая действует абсолютно на каждое тело, она заставляет тело притягивается к Земле вследствие Всемирного тяготения.

      Вес конструкции – это сила, которая воздействует на опору, препятствующую падению, возникающая в поле сил тяжести. При этом возникшие упругие силы начинают действовать на тело.

      В конструкции все материалы и крепления соприкасаются между собой, возникает трение.

  1.3. Сила трения.

             Трение – один из видов взаимодействия тел. Оно возникает при соприкосновении двух тел. Трение, как и все другие виды взаимодействия, подчиняется третьему закону Ньютона: если на одно из тел действует сила трения, то такая  же сила действует и на второе тело, но направленная в противоположную сторону.

     Дорожное полотно крепится к арке стальными вантами. Все тросы, винты, гайки удерживает сила трения. При отсутствии трения было бы нельзя собрать мост.

       При строительстве моста также применяется правило рычага.
1.4. Рычаг. Равновесие сил на рычаге.

     Рычаг состоит из перекладины рычага и опоры. Рычаг это простейший управляемый механизм, при помощи которого можно поднять тяжёлые предметы, прикладывая небольшое усилие.

Еще выдающийся древнегреческий учёный Архимед более 2000 лет  назад задавался вопросом: -   Можно ли поднять земной шар?

И ответил примерно так: «Дайте мне точку опоры, и я подниму земной шар».

1.5. Физические явления, действующие на конструкцию моста.

      Важное физическое явления для мостовых конструкций является тепловое расширение, а также морозное пучение грунта и воды. Их вредное влияние  приходится учитывать и при постройке мостов, и в каких климатических условиях будет находиться конструкция. В результате температурных изменений металл конструкций моста деформируется. От воздействия низких температур вода и почва промерзает и происходит давление на опоры. Например, разводные мосты не разводят, если температура воздуха выше 25 градусов и ниже 10 градусов.

    Нужно учитывать ветровые нагрузки, мосты тесно связаны с колебательными движениями и фокусировки звука. На резонанс обязательно проверяются все мосты. Многие физические объекты, обладая определённой упругостью, могут совершать собственные колебания, а внешнее периодическое воздействие на них может оказаться резонансным. Изучение явления резонанса позволяет избежать отрицательных последствий этих воздействий.

2. Разводные мосты.

     Практическую часть своей работы я выполнил на модели разводного моста. Разводной мост — особый тип моста, имеющий подвижное пролётное строение для обеспечения пропуска судов. Разводные мосты, как правило, строят на судоходных реках и каналах в плотной застройке, когда другими способами «развязать» наземный транспорт и судоходство не удаётся.

Преимущества:
1. Расходует достаточно мало энергии. Быстро разводится.

2. Способен пропускать крупные парусные суда — высота судна ничем не ограничивается.

3. Держит тяжёлую технику вплоть до поездов.

Недостатки:

1. Требуются противовесы, причём намного тяжелее пролёта.

2. Механизмы разводного моста требуют ремонта и технического обслуживания;

3. Наземный транспорт не может перемещаться через мост во время прохода судов.

     При проектировании разводного пролетного строения необходимо помнить, что оно представляет собой не только конструкцию, воспринимающую нагрузку и передающую ее опорам, но и механизм, движущийся, чтобы освободить пространство для прохода судов. Разводной мост по характеру работы пролетного строения может быть: раскрывающийся однокрылый или двукрылый. Комплект оборудования, которым снабжается разводной мост, зависит от его типа, нагрузки.

       3. Демонстрация модели разводного моста.

    На основе конструктора LEGO Education EV 3 я выполнил конструкцию разводного двукрылого пролетного моста с раскрывающейся системой.

     Чтобы продемонстрировать в движении свой проект, использую корабль. Корабль перемещается с помощью механизма - лебёдка, тяговое усилие которого передается посредством троса от приводного барабана к вращающейся оси. Ось прикреплена к коробке передач, которая приводится в действие большим сервомотором.  При приближении корабля к мосту  ультразвуковой  датчик посылает сигнал моторам и происходит  разводка моста, сопровождается звуковым сигналом... При разведении пролетное строение перемещается вертикально. Для устойчивости конструкции служат башни, которые опираются на специальные опоры. Под ними находятся грузы, которые служат противовесом.  Каждое крыло разводного пролета имеет средний сервомотор, который приводит в действие зубчатые шестерни  и происходит раскрытие моста. При закрытии моста нужны тормозные устройства, для этого я использовал понижающую зубчатую передачу уменьшающую скорость вращения шестерни. Микрокомпьютер EV3запрограммирован  на управление действием моста, также как и настоящими мостами управляет оператор, находясь в  техническом павильоне управление моста.

Заключение

В ходе работы над проектом подтвердилась гипотеза: модель моста будет работать при условии, что все деформации моста будут упругими.

       В ходе работы  мною были выполнены следующие задачи:

   1. Познакомился историей строительства мостов и изучил их виды.

   2. Выявил  и доказал тесную связь строительства моста с физическими законами и явлениями.

   3. Разработал и сконструировал модель разводного моста с помощью конструктора LEGO Education EV 3 и продемонстрировал  работу моста одноклассникам.

В результате выполнения данной работы у меня расширились знания о физике. Я доказал, что при строительстве мостов надо учитывать назначение сооружения, его конструкцию, климат местности, особенности природных условий. Я узнал,  как работают простые и сложные механизмы.

      Я думаю, мои исследования интересны не только мне, но и моим одноклассникам, тем, кто хочет больше узнать, на сколько, физика изучает все законы природы: начиная от простейших и заканчивая наиболее общими принципами естествознания. Среди всех наук физика занимает важное место, которое особенно возрастает в современном строительстве.

Библиографический список

1. Перышкин А.В. Физика. 7 кл. учебник - М.: Дрофа, 2016

2. Механическая картина мира/ гл. ред. В.А. Володин. - М.: Аванта, 2000

3. С.Г. Гиндикин "Рассказы о физиках и математиках"- М.: МЦНМО - 4-е издание. 2006

4. Википедия.

Приложение

Материалы, используемые для изготовления модели.