Проектно-исследовательская работа "Сыпучая горка"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Кыштовская средняя общеобразовательная школа №1

Исследовательский проект:

Сыпучая горка

                                            Автор: Щевровский Александр Викторович,  

                                                                      ученик 10а класса

                                          Руководитель: Колещатова Наталья Васильевна,

                                                                      учитель физики

с.Кыштовка, 2019г.

Содержание:

1.Введение: цели и задачи проекта, гипотеза, методы исследования.

2. Теоретическая часть.

3. Практическая часть.

3. Заключение.

4. Литература.

ВВЕДЕНИЕ

  Каждый человек в своей жизни имеет дело с материалами различных агрегатных состояний вещества: жидкостями, твердыми телами, газом. Многие хорошо представляют плазменное состояние вещества на примерах полярных сияний, солнечного ветра, звезд. Физические свойства этих четырех агрегатных состояний начинают изучать на уроках природоведения в начальной школе, затем их изучение продолжается на уроках физики и химии в основной и старшей школе. Сложнее обстоит дело с сыпучими веществами.  Хотя каждый из нас в своей жизни ежедневно встречается с ними, сыпучие вещества не являются предметом изучения школьных предметных курсов. «Сыпучий материал» чаще всего понимают как коллектив частиц обладающих одной  природой. Примерами материалов такого типа могут быть: зерна злаковых культур, песок, мука и т.п. Область применения таких материалов очень широкая: от сельского хозяйства до современных строительных материалов, лекарственных препаратов, радиотехнических изделий.  В физики в последние годы возрастает интерес к сыпучим материалам,  в том числе  в связи с проявлением у них эффекта Лейденфроста  (парением сыпучей горки над движущейся платформой). Ученые активно ищут возможность применения этого эффекта. Это – одно из современнейших направлений развития физики сыпучих веществ. Мне стало интересно, почему такой распространенный материал совсем не изучается в школе? Легко ли им управлять? Какими параметрами определяется горка из сыпучих материалов?

Для того чтобы ответить на эти вопросы, я выполнил исследовательский проект «Сыпучая горка».

Цель проекта: Исследовать параметры горки из сыпучих веществ.

Задачи проекта:  

1.Познакомится с физикой сыпучих веществ.

2. Исследовать от каких параметров зависит  угол естественного откоса сыпучей горки.

Объектом исследования стали некоторые фракции сыпучих веществ.

Гипотеза: угол естественного откоса сыпучей горки зависит от высоты ее насыпания,  массы сыпучего вещества, качества поверхности для насыпания, диаметра струи насыпания, размера частицы фракции.

Методы исследования: анализ научной литературы, эксперимент, обобщение.

Теоретическая часть

Сыпу́чее те́ло — одна из разновидностей сплошной среды, состоящая из множества отдельных макроскопических твёрдых частиц, теряющих механическую энергию при контактном взаимодействии друг с другом.

Физика сыпучего тела относится к физике мягкого вещества и рассматривает вопросы статики и динамики сыпучих сред. Для описания закономерностей сыпучих материалов, наряду с законами механики, используются статистические законы поведения большого числа частиц в группе. Поэтому математические формулы, отражающие закономерности распределения сыпучего материала в пространстве оказываются сложными уравнениями. Школьный курс математики, даже профильного уровня, не дает возможности научиться решать комбинации таких уравнений.   Также физикой сыпучих веществ рассматриваются свойства сыпучих тел и их напряжённое состояние. В практическом плане это позволяет производить расчеты:

• оснований сооружений на прочность,
• откосов на устойчивость,
• определение давления сыпучего тела:

•  подпорные стены,
• стенки хранилищ,
• заглубленные сооружения.

Сыпучие тела по своим физическим свойствам занимают промежуточное положение между твердыми телами и жидкостями. Сыпучее тело - своего рода "колония" из однородных твердых частиц. Колония эта при некоторых условиях принимает форму откоса, пирамиды или конуса, определяемую углом внутреннего трения материала.

Зыбкость и неустойчивость сыпучей среды никого не удивляет. Возьмите, например, песок. Он "растекается", протекает сквозь пальцы, сползает с наклонной плоскости, сдвигает подпорные стенки, передвигается под действием ветра (дюны), может развеяться и исчезнуть, как мираж. В сыпучем материале можно даже утонуть (зыбучие пески). Однако при некоторых условиях зыбкое сыпучее тело может быть весьма устойчивым. Это свойство подвижной сыпучей среды удивляет. 

К идеально сыпучим материалам относят песок, зерно, т.е. сыпучие материалы, представляющие собой совокупность большого числа мелких твердых частиц одного и того же размера относительно правильной формы с минимальной связью между ними. Идеально сыпучее тело очень подвижно, легко истекает из отверстий, обладая, как это принято называть, хорошей сыпучестью.

Принята следующая классификация материалов в зависимости от их крупности:

• галька, камни - >20 мм;
• гравельные частицы - 2-20 мм;
• песчаные частицы:

• крупные 2-1 мм,
• средние 1-0,25 мм,
• мелкие 0,25 –0,05 мм;

• пылеватые частицы <0,05 мм;
• глинистые частицы < 0,005 мм.

Если в сыпучем материале преобладает одна какая-либо группа частиц, то и материал, в целом, приобретает свойства этой группы.

На процесс транспортировки и складской переработки влияют характерные свойства сыпучих материалов: размер частиц, плотность, объемная масса, коэффициент внутреннего трения, коэффициенты трения о твердые несущие поверхности, угол естественного откоса, влажность, подвижность и связность частиц, слеживаемость, абразивность.

Чтобы избежать потерь ценных материалов и защитить окружающую среду при погрузочно-разгрузочных и транспортных работах с сыпучим грузом, средства механизации должны быть полностью герметизированы. Средний размер частиц сыпучих материалов - менее 0,1 мм. Поэтому эти грузы легко распыляются.

Относительная подвижность частиц порошкообразных материалов зависит от величины сил сцепления и трения между отдельными частицами, возникающими при их взаимном перемещении.
От подвижности частиц материала зависит величина угла α1 наклона к горизонтальной плоскости образующей конуса свободно насыпанного, без падения с высоты, материала.

Для материалов, сцепление которых незначительно или вовсе отсутствует, угол внутреннего трения равен углу естественного откоса: γ=α.

Для порошкообразных материалов со значительным сцеплением образующая поверхности откоса криволинейна, а средний угол естественного откоса больше угла внутреннего трения. Он зависит от метода получения откоса - свободным насыпанием или обрушением.

Коэффициент внешнего трения сыпучих материалов f зависит от того, находится ли материал в покое или движении.

   Наиболее простыми физическими свойствами сыпучих веществ являются следующие свойства:

1.Слеживаемость - это свойство сыпучих материалов при длительном хранении или при воздействии вибраций терять подвижность частиц. За исключением сухой золы, все сыпучие строительные материалы относятся к слеживающимся грузам. С повышением влажности материала, а также с увеличением высоты слоя материала слеживаемость возрастает. У абсолютно сухих материалов свойство слеживаемости отсутствует или проявляется слабо. Чтобы предотвратить слеживаемость сыпучего материала, необходимо периодически осуществлять его механическое или аэрационное рыхление, а также перемещать (перекачивать) из одного силоса в другой (например, цемент необходимо перекачивать не реже одного раза в 15 дней).

2.Абразивность - это свойство сыпучих материалов истирать соприкасающиеся с ними поверхности транспортной установки при их движении относительно друг друга. Однако нельзя оценивать абразивность материала только по износу элементов транспортного оборудования. Интенсивность износа транспортной установки, помимо свойства транспортируемого груза, зависит также от скорости движения частиц материала, от направления вектора скорости движения относительно ограничивающей его рабочей поверхности, от материала, из которого изготовлены детали и трубопровод установки. Значительной истирающей способностью обладают самые массовые строительные материалы - цемент, минеральный порошок, зола, песок. Абразивность этих сыпучих материалов существенно снижает работоспособность отдельных элементов транспортной установки. Для увеличения долговечности транспортной  установки, перемещающей абразивные сыпучие строительные грузы, следует по возможности снижать скорость транспортировки частиц, а также для изготовления наиболее изнашиваемых деталей применять износостойкие стали, сплавы, полимеры и другие материалы.

2.Взрыво- и пожароопасность.

Горючие сыпучие материалы могут при определенных условиях самовозгораться, а в смеси с воздухом - взрываться. Взрыв аэровзвеси сыпучих горючих компонентов происходит только в том случае, когда их концентрация в воздухе находится в диапазоне между нижним и верхним пределами воспламенения. Согласно существующим нормам нижний предел воспламенения служит основным критерием взрывоопаснсти аэровзвесей.

Взрывоопасными принято считать пылевоздушные смеси, нижний предел воспламенения которых меньше или равен 65 г/м³. Пыли с нижним пределом, превышающим 65 г/м³, считают пожароопасными. Для того чтобы аэровзвесь воспламенилась, к ней необходимо подвести определенную тепловую энергию. Минимальную энергию зажигания аэровзвесей определяют на специальном приборе путем экспериментального построения зависимости вероятности зажигания от энергии разряда конденсатора.

Источником тепловой энергии, необходимой для зажигания аэровзвесей могут быть нагретые поверхности движущихся элементов, искровой разряд электрооборудования, электропроводки и статического электричества.

Для предупреждения взрыва пылевоздушных смесей необходимо избегать пыления при транспортировании и перегрузках материала, тщательно заземлять металлическое оборудование, использовать взрывозащшценное оборудование, контролировать с помощью датчиков температуру в зоне наибольшего трения, не допускать попадания посторонних металлических предметов, для чего загружаемую смесь необходимо пропускать через магнитный сепаратор.

 Физические величины, характеризующие сыпучие вещества:

1.Насыпная плотность– это плотность в неуплотненном состоянии, учитывает не только объем частиц материала, но и пространство между ними

2.Угол естественного откоса, угол внутреннего трения (в механике грунтов) — угол, образованный свободной поверхностью рыхлой горной массы или иного сыпучего вещества с горизонтальной плоскостью. Иногда может быть использован термин «угол внешнего трения».

Частицы вещества, находящиеся на свободной поверхности насыпи, испытывают состояние предельного (критического) равновесия. Угол естественного откоса связан с коэффициентом трения и зависит от шероховатости зёрен, степени их увлажнения, гранулометрического состава и формы, а также от удельного веса материала.

Угол естественного откоса грунта является параметром прочности почв. Его определение является производным от критерия разрушения Мора-Кулон, и он используется для описания сопротивления трения при сдвиге почвы вместе с нормальным эффективным напряжением.

По углам естественного откоса определяются максимально допустимые углы откосов уступов и бортов карьеров, насыпей, отвалов и штабелей.

Для вычисления угла естественного откоса используем коническую  

форму сыпучей горки, откуда из соотношений в прямоугольном треугольнике  tgα=h/r.

3.Коэффициент бокового давления — отношение величины 

бокового давления на грунт к вертикальному, вызывающему 

это боковое давление.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Для экспериментальной части я отобрал следующие сыпучие вещества: горох, песок, манка, сахар, пшенка, гречка, мука.

Эксперимент №1: Определение размера частицы сыпучего вещества

Оборудование: линейка ученическая, сыпучие вещества.

Ход эксперимента: Размер частицы сыпучего вещества определялся методом рядов, т. е. в ряд укладывалось известное число частиц и измерялась его длина. Затем по формуле  d =L/N рассчитывал размер одной частицы сыпучей фракции.

Результаты эксперимента:

Вывод: Для экспериментов я отобрал гравельный сыпучий материал  (три фракции с разным размером частиц), песчаный сыпучий материал всех размеров (по одной фракции) и пылеватый сыпучий материал (одна фракция).

Примечание: начиная с эксперимента №2,  я использовал только песок, манку, сахар, пшенку, гречку и муку. Исследование сыпучей горки из гороха оказалось не возможным из-за почти абсолютно упругого столкновения горошин с поверхностью: сталкиваясь с ней, они разлетались, не образуя горки.

Эксперимент №2:  Исследование зависимости угла естественного откоса от классификации сыпучего материала.

Оборудование: сыпучие материалы, ученическая линейка, гладкая поверхность, штатив с муфтой и лапкой, воронка диаметром 12мм.

Ход эксперимента: на гладкую поверхность с одинаковой высоты свободным насыпанием с помощью воронки создавались сыпучие горки.

Результаты эксперимента:

Вывод: размер частицы фракции влияет на угол естественного откоса – чем меньше фракция, тем больше угол откоса сыпучей горки

Эксперимент №3:  Исследование зависимости угла естественного откоса от высоты насыпания горки.

Оборудование: сыпучие материалы, ученическая линейка, гладкая поверхность, штатив с муфтой и лапкой, воронка диаметром 12мм.

Ход эксперимента: на гладкой поверхности свободным насыпанием с помощью воронки создавались сыпучие горки.

Результаты эксперимента:

Вывод: У песка, манки, пшенки и муки угол естественного откоса тем больше, чем с большей высоты насыпается горка. У сахара и гречки зависимость обратная: чем меньше высота насыпания, тем больше угол откоса. Я думаю, что это связано с особой формой частиц сахара и гречки. У песка, манки, пшенки и муки частицы шарообразные, а у сахара они имеют форму куба или близкую к нему, у гречки -  форма частиц близка к тетраэдру. При движении частицы гречки и сахара создают большее трение, чем шарообразные.

Эксперимент №4:  Исследование зависимости угла естественного откоса от массы сыпучего вещества.

Оборудование: сыпучие материалы, ученическая линейка, гладкая поверхность, штатив с муфтой и лапкой, воронка диаметром 12мм

Ход эксперимента: на гладкой поверхности свободным насыпанием с помощью воронки создавались сыпучие горки.

Результаты эксперимента:

Вывод: существенное влияние массы сыпучего вещества на угол естественного откоса заметно у трех фракций: песок и манка (меньше масса - меньше угол) и мука (меньше масса - больше угол).  Практически не влияет масса сахара, пшенки и гречки на угол откоса, т.е. угол откоса более крупных по составу фракций мало изменяется с изменением массы. Интересная зависимость угла откоса муки от ее массы возможно связана с более плотной упаковкой частиц муки в горке, которая не дает им растекаться и образует более крутую горку.

Эксперимент №5: Исследование зависимости угла естественного откоса от диаметра воронки для свободного насыпания.

Оборудование: сыпучие материалы, ученическая линейка, шероховатая поверхность, штатив с муфтой и лапкой, воронки диаметром 12мм и 15мм.

Ход эксперимента: на шероховатой поверхности свободным насыпанием с помощью воронки создавались сыпучие горки.

Результаты эксперимента:

Вывод: Для всех фракции, кроме муки, воронка меньшего диаметра позволяет создать сыпучую горку с большим углом естественного откоса. Для муки воронка с большим диаметром создает сыпучую горку с большим углом откоса. Предполагаю, что воронка большего диаметра позволяет муке сыпаться быстрее, тем самым уменьшается боковое давление в горке и она образуется более крутой.

Эксперимент №6:  Исследование зависимости угла естественного откоса от качества поверхности, на которой образуется сыпучая горка.

Оборудование: сыпучие материалы, ученическая линейка, гладкая поверхность, шероховатая поверхность, штатив с муфтой и лапкой, воронка диаметром 12мм.

Ход эксперимента: на шероховатой  поверхности свободным насыпанием с помощью воронки создавалась сыпучая горка, затем опыт повторяли на гладкой поверхности.

Результаты эксперимента:

Вывод: Качество поверхности влияет на угол естественного откоса сыпучей горки.  На гладкой поверхности образуется более крутая горка, чем на шероховатой. Образование горки на шероховатой поверхности происходит медленнее, чем на гладкой, поэтому время действия сил сцепления больше. Значит больше импульс силы, действующий на каждую частицу и  больше сцепление между ними.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Новизна данного проекта заключается в эксклюзивности выводов, которые я получил в ходе его выполнения. Эти выводы имеют широкое прикладное применение:

1. При свободном насыпании  сыпучего вещества нужно помнить, что чем крупнее частицы сыпучей фракции, тем больший диаметр основания будет иметь сыпучая горка. Мелкие же частицы сыпучей фракции образуют более  высокие горки с меньшей площадью основания.
2. Определяя высоту, с которой насыпается горка нужно помнить, что сыпучие вещества с частицами не шарообразной формы будут образовывать горку с большей площадью основания, а шарообразные частицы сыпучего вещества создадут более крутые и высокие горки.
3. Чем меньше масса горки из пылеватых сыпучих частиц, тем положе сыпучая горка и больше площадь ее основания. Песчаные средние и мелкие частицы создадут при большей массе более крутую горку с меньшей площадью основания. Гравельные и крупные песчаные частицы пропорционально увеличивают свои горки, при этом угол естественного откоса таких горок практически не меняется.
4. Параметры сыпуче горки из всех исследуемых материалов, кроме муки, зависят от диаметра насыпающей струи: меньший диаметр струи создает более крутую горку с меньшей площадью основания. Только муку лучше насыпать широкой  струей для получения сыпучей горки меньшего основания.
5. Для того чтобы сыпучие вещества при хранении не занимали большую площадь, нужно их насыпать на гладкую поверхность.

  Эти результаты нужно учитывать при погрузке сыпучих материалов в вагоны для их транспортировки, при замешивании бетона, при изготовлении древесно-стружечных плит, при использовании порошкообразных лекарственных препаратов.  Когда определяется, какие необходимы по размеру отверстия в воронках, через которые истекают данные вещества. Размер отверстия в воронке должен быть таким, чтобы обеспечивалась максимально быстрое истечение и в то же время равномерное.

При использовании сыпучих продуктов в быту (мука, крупы, сахар, соль)  мы учитываем связь их массы с размерами сыпучей горки, понимаем, что не стоит насыпать их со значительной высоты.

   Реализуя данный проект, я понял, почему сыпучие вещества не изучаются в школьном курсе:

1.Применение физических законов для описания свойств сыпучих веществ приводит к необходимости решать очень сложные системы уравнений, методы решения которых не рассматриваются в школьном курсе математики.

2.Исследование угла естественного откоса сыпучей горки, одного из основных параметров горки,  позволяет сделать вывод о неоднозначности поведения сыпучего вещества при ее образовании. Необходимо рассматривать отдельно поведение порошковых фракций, гравельных частиц и камней и гальки, так как оно разное.

 Мне этот проект позволил убедиться, что страницами школьного курса физики эта наука не ограничивается.  Есть интересные современные направления прикладной физики, с которые можно знакомится, которые достаточно понятны и по этим направлениям можно проводить исследования, прогнозируя применение результатов этих исследований.  В этом заключается значимость проекта лично для меня.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Горная энциклопедия. Под ред. Е.А. Козловского. - М., Большая Российская Энциклопедия ,2006
2. Воронин А.Д. Основы физики почв: издательство московского университета.1986
3. Федосеев В.Б. Нелинейный Мир, 2009