Исследовательская работа «ПРИБОРЫ ПО ФИЗИКЕ СВОИМИ РУКАМИ И ПРОСТЫЕ ОПЫТЫ С НИМИ. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ МАНИПУЛЯТОР»
материал по физике (7 класс)

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Лицей № 1»

муниципального образования «город Бугуруслан»

 «ПРИБОРЫ ПО ФИЗИКЕ СВОИМИ РУКАМИ И ПРОСТЫЕ ОПЫТЫ С НИМИ.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ МАНИПУЛЯТОР»

Городская научно – исследовательская конференция

«Маленький шаг – большая наука»

Выполнила:

обучающаяся 7 класса А

МБОУ Лицей №1

Жукова Мария Сергеевна                                                        

Руководитель:

учитель физики

МБОУ Лицей  №1

Хабарова Юлия Игоревна

                                        Бугуруслан, 2024

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Один опыт я ставлю выше,

чем тысячу мнений,

рожденных только воображением.

М. Ломоносов

Эпитетом к своей работе я не зря взял строчки великого русского поэта и учёного М. Ломоносова, потому что изучение большинства наук невозможно без постановки опытов.

Для того, чтобы поставить необходимый опыт, нужно иметь приборы и измерительные инструменты. И не думайте, что все приборы делаются на заводах. Во многих случаях исследовательские установки сооружаются самими исследователями. При этом считается, что талантливее тот исследователь, который может поставить опыт и получить хорошие результаты не только на сложных, а и на более простых приборах. Сложное оборудование обоснованно применять только в тех случаях, когда без него нельзя обойтись. Так что не надо пренебрегать самодельными приборами - гораздо полезнее сделать их самим, чем пользоваться покупными.

Использование самодельных приборов в школьном курсе актуально.  Актуальность заключается в том, что изготовление приборов ведет за собой не только повышение уровня знаний, но и выявляет основное направление деятельности. При работе над прибором мы уходим от «меловой» физики. Оживает сухая формула, материализуется идея, возникает полное и четкое понимание.     С другой стороны, подобная работа является хорошим примером общественно-полезного труда: удачно сделанные самодельные приборы могут значительно пополнить оборудование школьного кабинета. Изготавливать приборы на месте своими силами можно и нужно. Самодельные приборы имеют и другую постоянную ценность: их изготовление, с одной стороны, развивает у нас учащихся практические умения и навыки, а с другой - свидетельствует о творческой работе.

Некоторые самодельные приборы могут оказаться удачнее промышленных в методическом отношении, более наглядными и простыми в действии, более понятными нам учащимся. Другие позволяют полнее и последовательнее проводить эксперимент с помощью существующих промышленных приборов, расширяют возможность их использования.

Актуальность, теоретическая значимость и недостаточная разработанность проблемы определили тему исследовательской работы: «Приборы по физике своими руками и простые опыты с ними. Гидравлический манипулятор».     

          Цель исследования: собрать действующий самодельный гидравлический манипулятор и изучить его работу.

Задачи исследования:

1. изучить имеющуюся литературу по созданию самодельных приборов;
2. сделать прибор гидравлический манипулятор;
3. провести анализ опыта закона Паскаля и сообщающихся сосудов с применением оборудования центра «Точка роста»

Объект исследования: научно исследовательское творчество и изобретательство учащихся.

Предмет исследования: самодельные приборы для школьного кабинета физики на примере гидравлического манипулятора.

Гипотеза: наличие самодельных приборов в школьном кабинете физики расширяет возможности совершенствования учебного эксперимента и улучшает постановку научно- исследовательских работ.

При написании проектно-исследовательской работы использовались следующие методы:

-Эмпирические: исследование, эксперимент, анализ полученных данных, измерение, сравнение;

 -Теоретические: конструирование самодельного гидравлического манипулятора, анализ литературы.

Этапы исследования:

          Теоретическая часть. Изучение литературы по проблеме исследования.

          Практическая часть. Изготовление гидравлического манипулятора и демонстрация опыта закона Паскаля и сообщающихся сосудов с применением оборудования центра «Точка роста».

          Новизна: заключается в том, что, как и многие изобретатели-экспериментаторы, я впервые, изучив научно-популярную литературу, собрала гидравлический манипулятор своими руками и показал практическое применение прибора.

Практическая значимость: результат работы носит просветительный характер, это позволит, повысит заинтересованность учеников к углубленному изучению таких предметов, как физика, юных исследователей - к исследовательской деятельности, и возможно для кого-то определит область дальнейшей деятельности.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ САМОДЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

1.1. Этапы конструирования и изготовление самодельного пробора

Приступая к исследовательской работе, я изучила научную и популярную литературу по созданию самодельных приборов.

Узнала, что при конструировании, изготовлении и применении самодельного прибора учащиеся должны:

• четко представлять его назначение;
• заранее рассчитать его отдельные элементы, сделать необходимые схемы, чертежи;
• хорошо представлять принцип действия прибора;
• уяснить, на использовании каких законов основана его работа;
• согласовать параметры намечаемого к изготовлению прибора с параметрами тех приборов, совместно с которыми он будет работать;
• уметь ответить на вопросы: какова природа физического явления, демонстрируемого с помощью этого прибора, где применяется и встречается это явление: от каких факторов зависит эффективность его демонстрации.

Рассмотрела следующие этапы конструирования и изготовления самодельного оборудования:

- накопление теоретических и практических знаний и умений;

- составление эскизных рисунков, чертежей, схем прибора;

- выбор наиболее удачного варианта и краткое описание принципа его действия

- предварительный расчет и приближенное определение параметров элементов, составляющих выбранный вариант прибора;

- принципиальное теоретическое решение и разработка самого проекта;

- подбор деталей, материалов, инструментов и измерительных приборов для материализации проекта;

- мысленное предвосхищение всех основных этапов деятельности по сборке материального макета проекта;

- систематический контроль своей деятельности при изготовлении прибора (установки);

- снятие характеристик с изготовленного прибора (установки) и сравнение их с предполагаемыми (анализ проекта);

- перевод макета в завершенную конструкцию прибора (установки) (практическая реализация проекта);

- защита проекта на специальной конференции и демонстрация прибора (установки) (общественная презентация).

2. Из истории гидравлики

Гидравлика - прикладная наука о законах движения, равновесии жидкостей и способах приложения этих законов к решению задач инженерной практики.

Гидравлика – одна из самых древних наук в мире. Еще в глубокой древности человек был вынужден заниматься решением разных гидравлических задач. Это подтверждают результаты археологических раскопок, которые показывают, что еще за 5000 лет до нашей эры в Китае и немного позже в других странах древнего мира уже существовали оросительные каналы и были известны некоторые простейшие гидравлические устройства. Простейшие гидравлические устройства использовались в Вавилонии, Древнем Египте, Индии и других странах.

Однако прошло много веков, прежде чем начали появляться отдельные попытки выполнить научные обобщения тех или других наблюдений, относящихся к гидравлическим явлениям. В далекой древности гидравлика была только ремеслом без каких-либо научных основ.  

Первым дошедшим до нашего времени трудом по гидравлике был трактат математика и изобретателя древности Архимеда (287-212 гг. до н.э.) «О плавающих телах», но сведения о законах  гидравлики были известны и ранее, так как задолго до Архимеда строились оросительные каналы и водопроводы. Архимед же попытался объяснить принцип действия данных систем, он  оставил после себя труды по математике, механике, гидростатике. Наиболее известны закон рычага, способы вычисления длин кривых, законы гидростатики.

Древнегреческий учёный Ктезибий (II или I век до н.э.) изобрел пожарный насос, водяные часы и другие водяные устройства.

Герон Александрийский (примерно I век до н.э.) описал сифон, автомат для отпуска жидкости и др.

У греков многое заимствовали римляне. В Древнем Риме строились акведуки, системы водоснабжения и другие системы, сложные для того времени.

«Во времена императора Траяна в Риме было 9 водопроводов общей длиной 436 км» .

В эпоху средневековья были созданы универсальные энергетические машины – водяные мельничные колеса различных типов и размеров, послуживших основой промышленной энергетики.

Со времён Архимеда до Эпохи Возрождения не появилось ни одного труда о движении жидкости. Исключение – это трактат великого итальянского художника и инженера Леонардо да Винчи (1452- 1519 гг.) «О движении и измерении воды».

Первым опубликованным сочинением из области гидравлики является  книга голландского ученого Симона Стевина (1548-1620 гг.) «Начало гидростатики» (1585г.), в  ней впервые дано определение силы давления жидкости на дно и стенки сосудов.

В своём труде «Рассуждение о телах, пребывающих в воде, и о тех, которые в ней движутся» Галилео Галилей (1564-1642 гг.) описал условие плавания тел. Он показал, что гидравлические сопротивления возрастают с увеличением скорости и с возрастанием плотности жидкости.

К числу первых научных сочинений о движении жидкости относятся труды итальянских ученых  Бенедикта  Кастелли и Эванджелиста Торричелли (16-17вв), а французский физик и математик  Блез Паскаль в 1661 году сформулировал закон о передаче давления в жидкости. Следствием этого стало  появление большого число простых гидравлических машин - гидравлических прессов, домкратов и т.п.

Гидравлическая машина-это машина, действие, которой основано на законах движения и равновесия жидкостей.

3. Изучение законов гидравлики и принципов работы гидравлических механизмов

В основе работы гидравлических устройств лежит закон Блеза Паскаля. Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях. Применение этого закона на практике привело к созданию огромного числа гидравлических устройств и на их основе гидравлических приводов как машиностроительного оборудования, так и мобильных машин, объектов судостроения, летательных аппаратов, сельскохозяйственной техники, медицины и многих других устройств и машин.

Гидравлика получила широкое распространение. В настоящее время произошло разделение гидравлики на две науки – гидродинамика, гидростатика.

Гидродинамика - наука о подвижной жидкости. Гидростатика – наука о жидкости под давлением. Так, например, водяной круг – это пример применения гидродинамики. В гидростатических устройствах используют различные виды энергии. Средством для производства этой энергии является жидкость, но она не является источником движения. Передача энергии происходит по причине того, что сжатая жидкость подаётся под давлением.  Большинство гидравлических машин сейчас управляются по гидростатическому принципу.

Основные параметры каждой гидравлической системы – давление и поток. Они взаимосвязаны, но выполняют разные функции. Примером давления и потока является работа водяного пистолета. Нажатие на курок создаёт давление внутри водяного пистолета. Под давлением вода вылетает и сбивает деревянного солдатика.

Если мы поместим жидкость с бочку, плотно закроем её и нажмём с помощью крышки на сжатую жидкость, то возникнет давление. Это давление будет одинаковым в каждой точке. Если давление будет большим, то бочка может сломаться. Местом поломки бочки будет не то, где больше давление, а то, где материал бочки слабее.  Это происходит потому, что давление одинаково в каждой точке. Сжатая жидкость удобна при передаче силы по трубам потому, что жидкости почти несжимаемы и передача энергии происходит немедленно.

Многие гидравлические системы используют масло. Оно почти не сжимается, а так же может использоваться в качестве смазки.

Паскаль открыл, что малый вес малого поршня уравновешивает большой вес большого поршня, доказывая, что площадь поршня пропорционально весу. Это открытие  применительно к сжимаемой жидкости. Причина, почему это возможно, в том, что жидкость всегда действует с равной силой на равную площадь. При разнице давления в двух точках гидравлической системы жидкость стремится к точке с наименьшим давлением. Это движение жидкости называется поток. Вода в городском водопроводе создаёт давление. Когда мы открываем кран, то за счёт того, что разное давление, вода течёт из крана. В гидравлической системе поток создаёт насос.

Работа гидравлической системы заключается в преобразовании одного вида энергии в другой.  Энергия жидкости преобразуется в механическую энергию. Под её воздействием приводится в движение рабочий узел. А с  помощью гидравлического насоса механическая энергия преобразуется в энергию давления.

Энергия, которая передаётся в гидравлическую систему, преобразуется из механической энергии двигателя, которая приводит в действие гидравлический насос. Насос преобразует механическую энергию в поток жидкости, преобразуя механическую энергию в энергию давления и кинетическую энергию. Поток жидкости передаётся через гидравлическую  систему и направляется к приводам цилиндров и моторов. Энергия давления и  кинетическая энергия жидкости вызывает движение привода. При этом движении  происходит ещё одно преобразование в механическую энергию.

Например, в гидравлических экскаваторах, механическая энергия двигателя приводит в действие гидравлический насос. Насос направляет поток масла в гидравлическую систему.  При движении привода под действием давления масла происходит ещё раз преобразование в механическую энергию. Таким образом, стрела экскаватора может подниматься или опускаться, производится движение ковша.

Преимущество гидравлической системы в том, что малая сила может управлять большой силой.

4. Гидравлический манипулятор

         Гидравлические технические устройства известны с древних времен. Например, насосы для тушения пожаров существовали еще во времена Древней Греции. Гидропривод, как целостная система, включающая насос, гидромотор и устройства распределения жидкости, - начал развиваться в последние 200-250 лет. В конце XVIII века появились первые грузоподъемные устройства с гидравлическим приводом, в которых рабочей жидкостью была вода. Первый гидравлический кран был введен в эксплуатацию в Англии в середине XIX века, с тех пор гидроприводом широко используется в грузоподъемных машинах. Понятие "гидравлический манипулятор" появилось сравнительно недавно. Гидравлический манипулятор представляет собой "механическую руку" с гидравлическим усилителем. Применяется во всех отраслях промышленного и сельскохозяйственного производства, коммунальной и строительной сферах. Гидравлический манипулятор сочетает в себе гидравлику, науку о законах движения, равновесии жидкости и методах применения этих законов, и представляет собой механизм, выполняющий под управлением оператора действия (манипуляции), аналогичные действиям руки человека - манипулятора. Модель состоит из механизма манипулятора и панели управления, которая одновременно является местом приложения сил, передаваемых манипулятору для проведения его в действие. Работа модели происходит при перемещении ручек на панели управления "вперед" и " назад". Передача энергии манипулятору от консоли происходит через систему поршней, Соединенных трубками. Вода- вещество, которое передает энергию. При движении поршней рука манипулятора поворачивается, поднимается или опускается, сгибается или разгибается, "сжимается" или "разгибается". Например, на моей модели можно наблюдать, как работают экскаваторы и бульдозеры, роботы на сборочных линиях для сборки автомобилей, автокраны для самостоятельной погрузки и разгрузки.        

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ОПЫТА ПО ФИЗИКЕ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ САМОДЕЛЬНОГО ПРИБОРА

          2.1. Опыт закона Паскаля и сообщающихся сосудов с применением оборудования центра «Точка роста»

Принцип действия модели основан на физических свойствах жидкостей. Самым важным из них является то, что давление, производимое внешними силами на поверхность жидкости, передается по всем направлениям без изменения. Этот закон был сформулирован французским ученым Блезом Паскалем и носит его имя. Еще известно, что жидкости очень мало сжимаются, а при разнице давления в двух точках гидравлической системы жидкость перетекает туда, где давление ниже. Такое движение жидкости называется потоком. Необходимо проверить действие закона Паскаля опытным путем. (Приложение2)

С помощью шприцов и трубок создаем систему сообщающихся сосудов.  

Для этого я взяла два шприца, наполнил один из них жидкостью и соединила шприцы между собой трубкой от капельницы.

При надавливании на поршень одного шприца внутри него создается давление. Жидкость под давлением перетекает по трубке во второй шприц. И в свою очередь уже сама жидкость давит на поршень второго шприца и выдавливает его наружу. Причем давление равно тому, которое возникает в первом шприце.

Это можно доказать, применив оборудование центра «Точка роста». С помощью датчика давления наблюдали за процессом сжатия газа.  Рассмотрели график, выведенный на экран зависимости давления от объема. Чем меньше объем сосуда, тем больше давление газа. По закону Паскаля это давление будет передаваться и выдавливать поршень из второго шприца. Закон работает!

По итогам опыта я решила, что шприцы с водой могут подойти для выполнения роли гидравлических цилиндров в моем манипуляторе.

2.2.  Изготовление самодельного гидравлического манипулятора

Я хочу рассказать, как сделать самодельный гидравлический манипулятор. (Приложение 1)

Для работы нам потребуется:

1. картон перфорированный
2.  шпицы одноразовые
3.  поливиниловая трубка
4.  суперклей
5. хомут-стяжка нейлоновая
6. деревянные шпажки

Для сборки модели требуются следующие материалы: канцелярский нож, ножницы, линейка, карандаш, клеящий пистолет.

             Потом приступаем к сборке прибора:

1. Сделала чертёж с размерами моих деталей. (Приложение 1)
2. Соединила детали №1, №2 и №3 между собой с помощью зубочисток и четырёх деталей №9. Расстояние между ними должно быть такое, чтобы свободно помещался шприц. Проклеила соединения суперклеем.
3. Склеила детали №4 между собой. И приклеиваем к ним собранную ранее конструкцию.
4. Взяла шприцы, просверлила в каждом из нём отверстие. И зажала на них, по два хомутика.
5. Прикрепила с помощью зубочисток первые два шприца.
6. Взяла детали №6, №7, №9 и №13, пару кусков проволоки. И изготовила захват.
7. На соединительную зубочистку между деталями №1 и №2 зацепила 2 хомутика и зажала шприц. Приклеила захват к деталям №1. В отверстие шприца вставила окончания проволоки идущие от захвата, и загнула.
8. Взяла деталь №5, вставила в отверстие зубочистку, проклеила и установила манипулятор, через отверстие в детали №4. Зафиксировала, проклеила.
9. Далее склеила между собой три детали №10 и приклеила к ним две половинки линейки или две палочки от мороженого. Приклеила это сбоку детали №4. Соединила с одним шприцом. Это поворотный механизм.
10. Соединила между собой детали №11 по три штуки и приклеила к ним сверху и снизу кусочки картона. Таким методом сделала два рычага. Далее на деталь №8 приклеила детали №10, склеенные по три. Между ними так же приклеиваются кусочки линейки с отверстиями. В отверстия вставила палочка и установила рычаги. Затем приклеила детали №12 и скобы.
11. Установила шприцы. В шприцы я набрала воды разведённой с краской, что бы было проще ориентироваться какой рычаг, каким узлом управляет. Всё проклеила.
12. Подсоединила трубочки капельниц от рычагов к манипулятору.

     2.3.  Работа модели, процессы, имитируемые моделью

     Работа модели происходит при перемещении ручек на пульте управления «вперед» и «назад». Передача энергии манипулятору от пульта происходит через систему поршней, соединенных трубками.

     Веществом, передающим энергию, является вода. При перемещении рукояток «рука» манипулятора поворачивается, поднимается или опускается, сгибается или разгибается, «сжимается» или «разжимается».

 На примере моей модели можно наблюдать как работают экскаваторы и бульдозеры, роботы на конвейерах по сборке автомобилей, манипуляторы на грузовиках для их самостоятельной погрузки и разгрузки.

2.4. Анализ заинтересованности учащихся на уроках с физическим опытом и без

В ходе изучения темы «Гидравлический пресс», учащимся седьмых классов   было предложено заполнить листы самооценки, которые позволили выявить заинтересованность учащихся при изучении данной темы.

В 7а классе на уроке был проведён опыт по описанию с применением гидравлического манипулятора, изготовленного своим руками.

В 7б классе данная тема изучалась без самодельного прибора.

Анализ данных, позволил сделать следующий вывод. (Приложение 3)

У всех учащихся 7а класса данная тема вызвала интерес, а у учащихся 7б лишь у двенадцати.

Таким образом, полученные результаты убедили меня в правильности выбранной темы исследования, её актуальности.

 Опыт с прибором, сделанным своими руками, вызывает очень большой интерес у всего класса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Решая первую задачу исследования, был проведён теоретический анализ литературы.

Я узнала, что при конструировании, изготовлении и применении самодельного прибора учащиеся должны:

• четко представлять его назначение;
• заранее рассчитать его отдельные элементы, сделать необходимые схемы, чертежи;
• хорошо представлять принцип действия прибора;
• уяснить, на использовании каких законов основана его работа;
• согласовать параметры намечаемого к изготовлению прибора с параметрами тех приборов, совместно с которыми он будет работать;
• уметь ответить на вопросы: какова природа физического явления, демонстрируемого с помощью этого прибора, где применяется и встречается это явление: от каких факторов зависит эффективность его демонстрации.

          Узнала, что гидравлика – это прикладная наука о законах движения, равновесии жидкостей и способах приложения этих законов к решению задач инженерной практики.

          Гидравлическая машина - это машина, действие, которой основано на законах движения и равновесия жидкостей.

          Гидравлический манипулятор представляет собой "механическую руку" с гидравлическим усилителем.

         В основе работы гидравлических устройств лежит закон Блеза Паскаля. Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях.

Решая вторую задачу исследования был изготовлен прибор – гидравлический манипулятор, отсутствующий в лаборатории и проведён анализ опыта.

В ходе опыта проверила действие закона Паскаля, применив оборудование центра «Точка роста». С помощью датчика давления наблюдала за процессом сжатия газа.  Рассмотрели график, выведенный на экран зависимости давления от объема. Чем меньше объем сосуда, тем больше давление газа. По закону Паскаля это давление будет передаваться и выдавливать поршень из второго шприца.

Рассмотрела этапы сборки гидравлического манипулятора и, как осуществляется работа модели.

Анализ данных, по заинтересованности учащихся на уроках с физическим опытом и без, убедили меня в правильности выбранной темы исследования, её актуальности.

Наблюдать за опытом проводимым учителем, интересно. Проводить его самому интереснее вдвойне.

А проводить опыт с прибором, сделанным и сконструированным своими руками, вызывает очень большой интерес у всего класса. В таких опытах легко установить взаимосвязь и сделать вывод как работает данная установка.

 Проводить данные опыты не сложно и интересно. Они безопасны, просты и полезны.

 Данная исследовательская работа может быть использована в своей        деятельности учителями и учащимися. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Внеурочная работа по физике/ Под ред. О.Ф. Кабардина. М.: Просвещение, 1993.
2. Гальперштейн Л. Занимательная физика. М.: РОСМЭН, 2000.
3. Горев Л.А. Занимательные опыты по физике. М.: Просвещение, 1995.
4. Горячкин Е.Н. Методика и техника физического эксперимента. М.: Просвещение. 1994 г.
5. Майоров А.Н. Физика для любознательных, или о чем не узнаешь на уроке. Ярославль: Академия развития, Академия и К, 1999.
6. Марк Сейфер Абсолютное оружие Америки. - М: Эксмо, 2005.
7. Перельман Я.И. Занимательная механика. Знаете ли вы физику? М.: ВАП, 1994.

Интернет ресуры:

8. https://stroy-podskazka.ru/pylesosy/vidy-i-instrukciya/
9. https://www.asutpp.ru/elektrodvigatel-postoyannogo-toka.html
10. http://www.nkj.ru/archive/articles/12835/
11. https://project.1september.ru/work.php?id=572989.
12. http://pedsovet.org/component/option,com_mtree/task,viewlink/link_id,109450/Itemid,118/
13. https://ru.wikipedia.org
14. http://gidravl.narod.ru/vvedenie.html
15. https://studfile.net/preview/4288159/page:5/
16. https://novator.team/post/1135