ПРЕДИСЛОВИЕ
Программа по физике открывает широкие возможности для осуществления принципа политехнизма. При этом важной задачей является отбор технического материала, который должен быть изучен в курсе физики. Очевидно, критерием для отбора политехнического материала могут служить значимость соответствующих разделов техники и технологии в современном производстве и основные перспективы их развития.
Сопоставление главных направлений научно-технического прогресса и разделов школьного курса физики позволяет определить конкретный технический материал для изучения в курсе физики VIII—X классов. Оформленный в виде таблиц и схем, этот материал приведен в главах пособия, посвященных изучению техники в соответствующих разделах школьного курса физики. Для глубокого усвоения вопросов техники важно как можно шире использовать физические знания учащихся, заострять внимание на физической стороне дела. Без вполне конкретных физических знаний невозможно понять устройство и принцип работы технических установок.
Реализация политехнического принципа предполагает широкие межпредметные связи, так как работа большинства современных технических устройств основана не только на законах физики, но и многих положениях химии, биологии и других наук. В пособии рассмотрены также вопросы истории техники; знакомство с ними поможет учащимся понять те существенные, черты, которые отличают современную технику от техники прошлого. Кроме того, это даст возможность показать, что принципиально новые технические устройства часто оказывали огромное влияние на жизнь общества.
Материал по технике, содержащийся в пособии, может быть использован не только на уроках, но и на факультативных и кружковых занятиях, причем в пособии в каждом отдельном случае оговаривается, где и когда должен рассматриваться данный материал.
Важным моментом закрепления и углубления изученного материала является решение задач с техническим содержанием, они также представлены в пособии.
В конце каждого параграфа указывается объем знаний, которые учащиеся должны приобрести после его изучения.
НЕКОТОРЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА, ОСНОВАННЫЕ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЗАКОНОВ МЕХАНИКИ
Все разделы современной физики тесно связаны с техникой, однако механика занимает здесь особое место, так как именно развитие механики в течение тысячелетий определяло технический прогресс,— законы механики воплощались во всех технических устройствах. Принципы механики лежат в основе работы транспортных, строительных, сельскохозяйственных машин. Авиационная и.космическая техника появилась благодаря развитию механики. На преобразовании механических форм движения основано действие многих энергетических устройств (гидроэлектростанций, ветроэнергетических установок и т. д.).
Содержание раздела «Механика», изучаемого в курсе физики VIII класса средней школы, дает возможность разобрать ряд технических вопросов механизации, авиации, космонавтики, энергетики. Анализ этого раздела позволяет определить конкретный материал для изучения (см. табл. 1).
§ 1. ПЕРЕДАЧА ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
При изучении вращательного движения по учебнику физики для VIII класса учащиеся знакомятся с основными величинами, характеризующими кинематику вращательного движения: углом поворота, угловой и линейной скоростью, периодом и частотой вращения. Завершить это изучение нужно техническим обобщением материала, разбором одного или нескольких видов передач вращательного движения, их основных характеристик и применений. Важность изучения этих вопросов в курсе физики связана с тем, что сейчас нет по существу ни одного технического- устройства, в котором бы не использовался принцип передачи вращательного движения.
Раздел курса физики Раздел техники Конкретный технический материал
Механизация Передача вращательного движения; центробежные и строительные механизмы; подшипники качения и скольжения
Механика Авиация и космонавтика Подъемная сила крыла самолета; принципы реактивного движения; искусственные спутники Земли; значение работ К. Э. Циолковского для космонавтики; успехи СССР в осво-, ении космического пространства
Энергетика Ветро- и гидроэнергетика
На уроке следует подробно рассмотреть один тип передачи (например, фрикционные передачи), а с другими видами передач учащихся можно ознакомить на факультативных занятиях.
Фрикционные передачи являются наиболее простыми по устройству и принципу работы. Как правило, фрикционная передача осуществляется с помощью двух цилиндрических катков (рис. 1), один из которых ведущий, т. е. на него действует вращающий момент, а другой — ведомый. Движение от ведущего катка к ведомому передается за счет трения между ними.
Учащимся нужно сообщить, что увеличение силы трения возможно при увеличении давления катков друг на друга или применении специальных фрикционных материалов с большим коэффициентом трения. Как правило, один из катков фрикционных передач делают из стали. Для увеличения коэффициента трения обод другого катка выполняют из текстолита, фибры,
резины или пластмассы. Однако в последнем случае выигрыш в коэффициенте трения приводит к уменьшению прочности конструкции, а это не всегда пригодно в целом ряде технических устройств.
Важно, чтобы учащиеся усвоили, что основной характеристикой любой передачи служит передаточное число i, которое определяется отношением угловых скоростей ведущего и ведомого катков. Передаточное число фрикционной передачи с цилиндрическими катками находят следующим образом:
(здесь учтено, что линейные скорости вращения ведущего и ведомого катков V1 и v2 равны).
Передаточное число обычных цилиндрических фрикционных передач не превышает 7; скорость 20 м/с; передаваемая мощность 20 кВт. КПД передачи колеблется в пределах 0,80—0,95.
Фрикционные передачи в современной технике применяются как для передачи небольших мощностей (например, привод механизма намотки ниток в швейных машинах), так и для передачи довольно больших мощностей (в бумагоделательных и печатных машинах).
Кроме фрикционной передачи цилиндрическими катками, желательно рассмотреть передачи коническими катками (рис. 2), а также передачи цилиндрическими катками с канавками, выполненными в форме клина. В передачах с клиновыми канавками (рис. 3) за счет выигрыша в силе на клине создается большая сила трения, что значительно увеличивает зацепление. Однако такие передачи очень быстро изнашиваются.
Ременные передачи. В ременной передаче (рис. 4) движение от ведущего вала к ведомому передается при помощи ремня за счет сил трения. Передаточное число для ременной передачи определяется так же, как и для фрикционной, по формуле:
И в случае ременной передачи эффективность передачи определяется силой трения, для увеличения которой необходимо подбирать материалы обода и ремня, обладающие большим коэффициентом трения, и увеличивать натяжение ремня.
Хлопчатобумажные и прорезиненные ремни со стальным или чугунным ободом имеют коэффициент трения 0,2—0,3, кожаные и шерстяные — 0,25—0,40. КПД ременных передач составляет 0,90—0,98. Мощность, передаваемая плоскоременными передачами, обычно не превышает 50 кВт.
Чтобы увеличить силу трения при передаче, увеличивают угол обхвата а, для чего применяют отклоняющие шкивы, или нижнюю часть ремня делают набегающей, а верхнюю — сбегающей. На рисунке 5 показано, как с помощью дополнительного вала можно увеличить угол обхвата, что дает выигрыш в силе трения.
Кроме простой открытой ременной передачи (см. рис. 4), полезно рассмотреть и другие виды ременных передач.
Для осуществления передачи между скрещивающимися валами применяют полуперекрестную передачу. Если необходимо, чтобы шкивы вращались в разные стороны, ставят перекрестную передачу. Ремни могут быть плоскими, круглыми или коническими (рис. 6,а, б, в). Клиновая форма ремня позволяет за счет выигрыша в силе, даваемого клином, получить гораздо больший коэффициент сцепления с ободом шкива.
В заключение разбора ременных передач следует сообщить, что ременные передачи применяются в тех случаях, когда требования к постоянству передаточного числа механизма не очень строгие. Они используются в деревообрабатывающих и металлорежущих станках, тракторах, автомобилях, печатных и швейных машинах.
Весьма полезной может быть демонстрация диапозитива1 «Ленточный транспортер», на котором показан ленточный транспортер, в работе которого используется принцип ременной передачи.
Зубчатые передачи. Если во фрикционной передаче гладкую поверхность обода заменить зубьями, то получится зубчатая пе-
1 Список упоминаемых в книге диапозитивов, диафильмов и кинофильмов имеется в пособии для учителей «Учебное оборудование по физике в средней школе» (под ред. А. А. Покровского). М., «Просвещение», 1973.
В передачах с внутренним зацеплением одно колесо размещено внутри другого (рис. 8), при этом зубья меньшего колеса расположены на наружной поверхности цилиндра, а зубья большего — на внутренней. Зубья меньшего колеса имеют выпуклый профиль, а зубья большего— вогнутый. Такая передача более компактна, чем передача с внешним зацеплением. (Применение передачи с внутренним зацеплением далее рассмотрено при разборе работы двигателя внутреннего сгорания Ванкеля.)
Для передачи движения между пересекающимися осями служат конические передачи (рис. 9), в которых зубья нанесены на конические поверхности. Наибольшее распространение получили передачи с межосевым углом, равным 90°, хотя иногда применяются передачи и с другими углами. Весьма распространены винтовые (рис. 10) и червячные передачи.
Учащимся можно рассказать, что одним из первых, кто разработал основные элементы зубчатой передачи, был гениальный художник и ученый итальянского Возрождения Леонардо да Винчи.
На примере зубчатой передачи следует ознакомить учащихся с использованием в технических устройствах принципиально новых материалов. Вместо стали, долгие годы применявшейся для изготовления передач, начинают применять полимеры, которые имеют много преимуществ. Прежде всего полимеры, будучи мягче металлов, гасят вибрации, что весьма важно для целого ряда установок. Кроме того, они не ржавеют, у них хорошие тепло- и электроизоляционные свойства. Важно и то, что полимерные зубчатые передачи гораздо легче изготавливать (их делают за один ход пресса, причем для изготовления одного вида шестерен необходима всего одна пресс-машина).
После изучения этого параграфа учащиеся должны знать, какие бывают передачи и где они используются.
ЗАДАЧИ
1. Рассчитайте, во сколько раз зубчатая передача ручной дрели увеличивает число оборотов, если ведущая шестерня имеет 90 зубьев, а ведомая — 15. (Ответ: в 6 раз.)
2. Определите, с какой линейной скоростью перемещается груз по транспортеру, если валик ременной передачи радиусом 0,4 м совершает 50 об /мин. (Ответ: «0,3 м/с.)
3. Движение от вала двигателя мотоцикла передается цепной передачей (рис. 11). Ведущая звездочка имеет число зубьев Zi=24, ведомая — Z2=72. Определите, сколько оборотов в минуту делает ведомая звездочка, если ведущая вращается со скоростью /ti=3000 об/мин. (Ответ: 1000 об/мин.)
§ 2. СИЛА ТРЕНИЯ. КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ. ПОДШИПНИКИ
Трение — это механическое сопротивление, возникающее при относительном перемещении двух соприкасающихся тел в плоскости их касания. Различают трение скольжения и трение качения. Трение скольжения характеризуется коэффициентом трения скольжения р — величиной, равной отношению силы трения к силе давления. Для характеристики трения качения вводится коэффициент трения качения, который определяется отношением момента силы трения качения к силе давления.
Сила трения качения в большинстве случаев ничтожна по сравнению с силой трения скольжения. Однако при больших скоростях качения, сравнимых со скоростью распространения деформации в теле, сопротивление качению резко увеличивается, и тогда выгодно переходить к трению скольжения.
Учащимся следует сообщить, что преимущества трения качения перед трением скольжения были поняты очень давно и, прежде всего, применительно к транспортной технике. Недаром изобретение колеса считается одним из интереснейших свершений человеческой мысли. Уже в III в. до н. э. колесницы были широко распространены в Месопотамии и Сирии.
Вредные проявления трения. Из опыта учащиеся знают, что трение между соприкасающимися поверхностями мешает их относительному перемещению, Учитель должен обратить их внимание на то, что во всех технических устройствах имеются трущиеся детали, следовательно, необходимо учитывать действие сил трения. Чем больше сила трения, тем меньше КПД машин и механизмов, так как энергия, затрачиваемая на преодоление трения, бесполезно рассеивается.
Один из способов уменьшения трения — это замена трения скольжения трением качения. Для этого применяют шарикоподшипники.
Шарикоподшипники скольжения были изобретены в середине XIX в. После их изобретения основная борьба шла за уменьшение коэффициента трения. Определенного прогресса здесь удалось достигнуть за счет применения материалов с небольшими коэффициентами трения, но главный выигрыш был получен после изобретения подшипников качения (рис. 12). Они позволили уменьшить коэффициент трения от 0,2 до 0,005. За несколько столетий до широкого использования шарикоподшипников Леонардо да Винчи высказал мысль об их применении и сделал чертеж шарикоподшипника. Устройство шарикоподшипника, предложенного им, принципиально ничем не отличается от современного подшипника качения.
Уменьшению трения способствует применение смазки. До недавнего времени в основном использовались смазки, содержащие растительные и нефтяные масла, сейчас они постепенно ^вытесняются синтетическими маслами. (Объяснение следует сопровождать показом диапозитива «Смазка уменьшает трение»).
Потребность техники привела к применению твердых смазок, а также к созданию специальных самосмазывающихся материалов. В качестве примера можно рассмотреть действие так называемой ротапринтной смазки, при которой шестерни вместо жидкой смазки пачкают специальной шестерней из само-смазывающегося материала, который переносится с одного зуба на другой (рис. 13). Коэффициент трения здесь уменьшается благодаря созданию защитной пленки.
Можно сообщить учащимся, что для уменьшения трения в ряде специальных устройств используются магнитные подвесы, позволяющие осуществлять вращение с угловой скоростью до 8 105 об/с — практически без трения.
Использование трения в технике. Конечно, нельзя делать вывод, что трение всегда вредно. Не говоря уже о том, что без трения оказался бы беспомощным при ходьбе человек, без учета сил трения нельзя объяснить движение тепловоза, автомобиля и других средств транспорта. За счет трения удерживаются бандажи на колесах, а колеса на вагонных осях. Пропускная способность железных дорог частично зависит от величины силы трения между колесом тепловоза и рельсом: чем трение больше, тем тяжелее и длиннее может быть железнодорожный состав.
На использовании трения основано действие различного рода тормозов: дисковых, ленточных, колодочных. Например, в ряде автомобилей колодки прижимаются к внутренней поверхности тормозного барабана, связанного с колесом. В тот момент, когда водитель нажимает на тормоза, кулачок поворачивается и плотно прижимает тормозные колодки к барабану, что приводит к резкому возрастанию коэффициента трения.
Трение используется при обработке металлов (давлением, резанием, шлифованием), в различных фрикционных устройствах (для передачи движения, усилий и при работе исполнительных органов). Довольно широко применяется сварка трением, позволяющая соединять металлы, которые невозможно сварить другим путем.
Рис. 13. Ротапринтная схема смазки: а — для зубчатых шестерен; б — для подшипников скольжения; в — для подшипников качения.
Интересно используется трение в ряде сельскохозяйственных машин. Например, рабочим органом льнотеребилки является так называемый льнотеребильный ручей, состоящий из двух прижатых друг к другу бесконечных движущихся ремней.
Во время движения льнотеребилки специальные делители наклоняют стебли к середине, где они захватываются ремнями и затягиваются в приемную щель теребильного ручья (рис. 14).
После изучения этого параграфа учащиеся должны понимать отличие силы трения скольжения от силы трения качения, уметь привести примеры технического использования трения.
ЗАДАЧИ
1. Почему на горизонтальной дороге нагруженный автомобиль буксует меньше порожнего? (О т в е т: Сила трения прямо пропорциональна силе
давления; она больше у нагруженного автомобиля, поэтому он меньше бук-
сует.)
2. При торможении автомобиля тормозные колодки прижимаются к тормозному барабану с силой 2500 Н. Определите силу трения, возникающую при торможении, если коэффициент трения 0,4. (Ответ: 1000 Н.)
3. Тепловоз с постоянной скоростью 10 м/с двигается по горизонтальному участку пути с коэффициентом трения 0,002. Затем он переходит на участок пути, где коэффициент трения равен 0,005, при этом режим работы двигателя остался тем же. Определите, какой путь пройдет вагон до остановки. (Ответ: «1700 м.)
$ 3. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
В различных технических устройствах и агрегатах широко применяются центробежные механизмы. В целом все системы, использующие центробежные механизмы, могут быть разделены на два класса:
1) автоматические устройства, в которых используются центробежные механизмы;
2) технические устройства и установки, действие которых основано на центробежном эффекте.
При разборе устройств первого класса нужно прежде всего остановиться на важнейшем принципе автоматического управления — обратной связи.
В любом автоматическом устройстве можно легко выделить входной сигнал (систему влияющих воздействий) и выходной сигнал (реакцию объекта на эти воздействия). Обратную связь определяют как воздействие выходного сигнала на входной. Если обратная связь противодействует причинам, вызвавшим изменение выходного сигнала, то ее называют отрицательной, если усиливает, усугубляет эти причины,— положительной.
Система автоматического управления, использующая обратную связь, представлена на рисунке 15 в виде блок-схемы.
Принцип обратной связи будет лучше усвоен учащимися, если после объяснения блок-схемы обратной связи это понятие пояснить на конкретной технической схеме, например при разборе действия центробежного регулятора Джеймса Уатта.
Центробежный регулятор, изобретенный Уаттом, представляет собой типичное автоматическое устройство, использующее обратную связь (рис. 16). Объектом регулирования является турбина паровой машины, а регулятором — рычаги с грузами, подвижно прикрепленными к стержню, вращающемуся от машины. При увеличении скорости вращения турбины возрастает сила, действующая на грузы, при этом приподнимаются рычаги. К этим грузам присоединена заслонка, которая при увеличении угловой скорости поднимается и уменьшает подвод пара, что приводит к уменьшению скорости вращения турбины. Здесь реализуется отрицательная обратная связь.
Центробежный регулятор учащимся нужно показать в работе, при этом следует подчеркнуть, что такой регулятор может обеспечивать и положительную обратную связь в том случае, когда при возрастании скорости вращения заслонка открывается и обеспечивает еще большую скорость вращения турбины паровой машины, что в свою очередь через систему обратной связи приводит к дальнейшему открыванию заслонки.
Полезно ознакомить учащихся с использованием центробежных регуляторов в автомобильных и тракторных двигателях.
На рисунке 17 показана схема регулирования числа оборотов тракторного двигателя. С валом центробежного регулятора связаны грузы 1, которые с увеличением скорости вращения расходятся и отодвигают вправо муфту 2; муфта через ролик 3 поворачивает поводок 4, тяга которого изменяет положение заслонки 6, что приводит к уменьшению подачи топлива. Пружина 5 связана с роликом и заслонкой. Когда скорость вращения уменьшается, грузы сближаются и заслонка открывается шире.
В целом ряде технических устройств применяются центробежные сепараторы, служащие для разделения смесей твердых или жидких тел. Сепараторы, в частности, используются для очистки смазочных масел или для отделения сливок от молока. В качестве примера можно рассмотреть принцип действия молочного сепаратора (рис. 18).
Молоко поступает в барабан, вращающийся со скоростью «10000 об/мин, по неподвижной трубке 1. В барабане вращаются тарелки 2, между ними имеется зазор около 0,5 мм. В тарелках сделаны сквозные отверстия, через которые проходит молоко. При вращении барабана менее плотные жировые шарики скапливаются около его оси, а плотная обезжиренная часть (обрат) оттесняется от оси. Жировые шарики сгущаются в сливки, которые выходят из барабана через отверстие 3. Отверстие 4 служит для выхода снятого молока. Сепаратор позволяет разделять до 5000 л молока в час.
Широкое применение находят сейчас центробежные мельницы — машины, служащие для измельчения каких-либо твердых тел между внутренней рабочей поверхностью неподвижного кольца и катящимися по ней роликами или шариками. Роликовые мельницы применяются, например, на электростанциях, работающих на угле, для помола топлива. Схема роликовой центробежной мельницы приведена на рисунке 19.
Надо остановиться также на разборе центробежного способа литья, который сводится к литью в быстровращающейся форме (рис. 20). При горизонтальном способе центробежного литья ось вращения проходит через центр изложницы. Металл, заполняя вращающуюся изложницу, принимает форму цилиндра. Такой способ литья широко применяется, например, для отливки чугунных труб или стволов артиллерийских орудий. Следует отметить, что отливки, выполненные методом центробежного литья, обладают исключительно высокими качествами, так как этот способ гарантирует изготовление отливок с минимальным числом газовых и неметаллических включений.
Учащимся интересно будет узнать, что метод центробежного литья планируется использовать на специальных установках, которые будут выведены на орбиту искусственных спутников Земли.
Широкое применение получили центробежные насосы. Упрощенная схема такого насоса приведена на рисунке 21. Жидкость входит по оси цилиндра в точке А перпендикулярно плоскости чертежа, а выходит через цилиндрический патрубок Б, врезанный в кожух.
При объяснении схемы нужно использовать настенную таблицу «Центробежный насос», а также показать учащимся модель центробежного насоса.
После изучения материала этого параграфа учащиеся должны знать об обратной связи в автоматике, использовании центробежного эффекта в одном из автоматических регулирующих устройств, схему и принцип действия центробежного механизма.
KOHEЦ ФPAГMEHTA УЧЕБНИКА
|
