В ученической исследовательской работе по физике на тему «Физика пружины» автор изучает природу возникновения пружины и рассматривает ее проявления в окружающем мире. В работе приведено определение понятия "пружина", приведены виды пружин и описаны физические законы пружины, проведены интересные исследования с использованием пружины.

Подробнее о работе:

В рамках исследовательского проекта по физике о физических свойствах пружины автор рассмотрел теоретическую информацию о физике пружины из различный источников, проверил экспериментально зависимость деформации тела от приложенной силы, расширил кругозор и углубил свои познания в области физики. Основываясь на приобретенные знания, автор провел ряд опытов с пружиной и доказал ее физические характеристики на практике.

В ходе учебного исследовательского проекта по физике «Физика пружины» учащийся провел исследование физических законов пружины, перечислил виды пружин и привел подробное описание каждого из них, рассмотрел варианты применения пружин в разных сферах человеческой деятельности. В настоящее время пружина используется для компенсации размерных неточностей, износа, снятия вибраций, как накопитель энергии, для простого измерения давления, веса, усилий и ускорений, предохранения от ударов и перегрузок. Все это достигается, основываясь на законах физики.

Оглавление

Введение
1 Понятие пружины.
1.1 Физические законы и пружины.
1.2 Виды пружин.
1.3 Пружины и их применение.
2. Исследовательская часть.
Заключение
Список использованных источников

Тема нашей работы: «Физика пружины». Я выбрал именно эту тему для исследования, потому что деформации различны, одни тела после деформации могут восстановиться, а другие нет. Поэтому мы проведем исследования, чтобы это узнать.

Актуальность темы нашей работы определяется тем, что в настоящее время пружина является используется для компенсации размерных неточностей, износа, снятия вибраций, как накопитель энергии, для простого измерения давления, веса, усилий и ускорений; предохранения от ударов и перегрузок.

На сегодняшний день существуют множество предметов, в которых присутствует пружины. Например,в мягкой мебели и мебельных петлях, и лифтах, в кнопках-застёжках, в карабинах, пружинных булавках, пружинных весах, отбойных молотках, в современных рельсовых скреплениях, в сцеплении, в механизмах часов, простых механических автоматах.

В связи с ситуации в стране, мы решили изучить эту тему дома и дистанционно со своей группой и в этом заключается новизна нашего исследования.

Цель проекта - изучить природу возникновения пружины и рассмотреть ее проявления в окружающем мире.

Задачи проекта:

1. собрать теоретическую информацию о физики пружины из различный источников;
2. проверить экспериментально зависимость деформации тела от приложенной силы;
3. расширить кругозор и углубить свои познания в области физики;
4. сделать выводы.

Для этого составляю план исследования:

1. поиск, сбор и обобщение информации;
2. выявление законов, описывающих принцип действия пружины;
3. проведение домашнего эксперимента;
4. обработка результатов;
5. выводы;
6. оформление работы.

Объект исследования – детские игрушки и необходимые предметы для опыта.

Предмет исследования – физические явления и законы.

Методы исследования:

• наблюдение;
• эксперимент;
• сравнение;
• анализ.

Структура проекта:

• количество страниц - 15;
• количество глав - 2;
• краткая характеристика чему посвящены главы – Четкое понятие определения пружины и ее взаимодействие.

Востребованность пружины кажется мне очень интересной. Для ее изучения сначала обратимся к истории.

Пружина может быть изготовлена из любого материала, имеющего достаточно высокие прочностные и упругие свойства (сталь, пластмасса, дерево, фанера, даже картон) .

История гласит что еще ветви деревьев использовались как пружины. Более сложные пружины датируются Бронзовым веком, в 3 веке до нашей эры Грек Ктесибиус из Александрии изобрел сплав "пружинная бронза" увеличив процент олова в сплаве бронзы.

В 1250 году Виллард де Коннегурд использовал водяное колесо для водяной пилы закручивающее шест, который распрямляясь возвращал пилу обратно. В 15 веке была изобретена витая пружина для часов.

После изобретения в 1470 году плоской пружины, заменившей гири, мастер Питер Хенлейн из немецкого города Нюрнберга изготовил первые носимые часы.

В 1515-1540 году была решена одна из основных проблем ранних механических часов - изменение силы тяги заводной пружины. Сделано это было пражским мастером Джакобом с помощью специального барабана переменного диаметра .

В 1675 году изобретение спиральной пружины-балансира. С этого момента крутильный маятник в носимых часах полностью заменил обычный. Точность хода носимых часов, особенно после внедрения горизонтального анкерного спуска, кардинально повысилась, поэтому в механизм пришлось добавить еще одну, минутную, стрелку.

Пружина - упругий элемент машин и различных механизмов, накапливающий и отдающий, или поглощающий механическую энергию.

С точки зрения классической физики, пружину можно рассматривать как устройство, накапливающее потенциальную энергию путём изменения расстояния между атомами эластичного материала.

В теории упругости законом Гука установлено, что растяжение эластичного стержня пропорционально приложенной к нему силе, направленной вдоль его оси. В реальности этот закон выполняется не точно, а только при малых растяжениях и сжатиях. Если напряжение превышает определённый предел (предел текучести) в материале наступают необратимые нарушения его структуры, и деталь разрушается или получает необратимую деформацию.

Следует отметить, что многие реальные материалы не имеют чётко обозначенного предела текучести, и закон Гука к ним неприменим. В таком случае, для материала устанавливается условный предел текучести.

Витые металлические пружины преобразуют деформацию сжатия/растяжения пружины в деформацию кручения материала, из которого она изготовлена, и наоборот, деформацию кручения пружины в деформацию растяжения и изгиба металла, многократно усиливая коэффициент упругости за счёт увеличения длины проволоки противостоящей внешнему воздействию. Волновые пружины сжатия подобны множеству последовательно/параллельно соединённых рессор, работающих на изгиб.

Витая цилиндрическая пружина сжатия или растяжения, намотанная из цилиндрической проволоки и упруго деформируемая вдоль оси, имеет коэффициент жёсткости, формула которой:

k,=((G×d_D^4 ))/(8×d_F^3×n)

где dD — диаметр проволоки;

dF— диаметр намотки (измеряемый от оси проволоки);

n — число витков;

G — модуль сдвига (для обычной стали G ≈ 80 ГПа, для меди ~ 45 ГПа).

По виду воспринимаемой нагрузки:

• пружины сжатия;
• пружины растяжения;
• пружины кручения;
• пружины изгиба.

Пружины растяжения — рассчитаны на увеличение длины под нагрузкой. В ненагруженном состоянии обычно имеют сомкнувшиеся витки. На концах для закрепления пружины на конструкции имеются крючки или кольца.

Пружины сжатия — рассчитаны на уменьшение длины под нагрузкой. Витки таких пружин без нагрузки не касаются друг друга. Концевые витки поджимают к соседним и торцы пружины шлифуют. Длинные пружины сжатия, во избежание потери устойчивости, ставят на оправки или стаканы, либо используют менее габаритные волновые пружины.

У пружин растяжения-сжатия под действием постоянной по величине силы витки испытывают напряжения двух видов: изгиба и кручения.

Пружина изгиба — применяется для передачи упругих деформаций при незначительных изменениях геометрических размеров пружины или пакета пружин (рессоры, тарельчатые пружины).Они имеют разнообразную простую форму ( торсионы, стопорные кольца и шайбы, упругие зажимы, элементы реле и т.п.)

Пружины кручения — могут быть двух видов:

• торсионные — стержень, работающий на кручение (имеет большую длину, чем витая пружина);
• витые пружины, работающие на кручение (как в бельевых прищепках, в мышеловках и в канцелярских дыроколах).

В приборостроении известна пружина Бурдона — трубчатая пружина в манометрах для измерения давления, играющая роль чувствительного элемента.

По конструкции:

• витые цилиндрические (винтовые);
• витые конические (амортизаторы);
• спиральные (в балансе часов);
• плоские;
• пластинчатые (например, рессоры);
• тарельчатые;
• волновые;
• торсионные;
• жидкостные;
• газовые.

Таким образом, пружина может быть изготовлена из любого материала, имеющего достаточно высокие прочностные и упругие свойства (сталь, пластмасса, дерево, фанера, даже картон).

Пружина - один из самых широко применяемых элементов механизмов, конструкций, приборов. Используется для компенсации размерных неточностей, износа, снятия вибраций, как накопитель энергии, для простого измерения давления, веса, усилий и ускорений; предохранения от ударов и перегрузок.

Мы можем ее увидеть в мягкой мебели и мебельных петлях, и лифтах, в кнопках-застёжках, в карабинах, пружинных булавках, пружинных весах, отбойных молотках, в современных рельсовых скреплениях, в сцеплении, в механизмах часов, простых механических автоматах. Гидравлическая аппаратура не мыслима без пружин, упругость необходима для работы кнопок и клавиш управляющих устройств, спусковых механизмов и взрывателей.

Также в строительстве. Простейшие доводчики без гасителей для калиток и дверей интенсивного пользования, в холодном климате для тамбуров.В возвратных механизмах ручных жалюзи, роликовых ставен и тяжелых секционных ворот.В клапанах направления движения в общественных местах. В лифтовых буферах. В строениях и конструкциях на неустойчивых грунтах, в геологически активных местностях, как гаситель сейсмических волн.

Кто увлекается огнестрельном оружием, также может увидеть пружину. Такие как, боевая пружина, возвратная пружина, пружина магазина. В симуляции оружия, оружие для страйкбола — пружина обычно используется для выталкивания снаряда в пружинно-поршневых винтовках.

Первым примером, я исследовал первый закон Ньютона. Этот пример эффектно демонстрирует действие закона инерции - первого закона Ньютона.

Дальше я продемонстрирую, как я его исполнял. В горизонтальную подставку я вставил кусок тонкой стальной полоски, выполняющий роль пружины. Рядом на подставке установил короткую стальную трубку, на ней прямоугольный кусок картона (он должен лежать строго горизонтально) и стальной шарик диаметром немного меньше отверстия трубки. Шарик положил на картон так, что его центр лежит над отверстием. Отогнул пальцем пружину и отпустил.

Возвращаясь в исходное положение, стальная полоска ударяет по ребру картона, та улетает, а шарик падает внутрь трубки. Объясняется пример довольно просто. Сила трения качения стали по картону очень мала, и ее не хватает на то, чтобы сдвинуть с места тяжелый стальной шарик. По закону инерции шарик, находящийся в состоянии равновесия, стремится сохранить состояние покоя, и это ему прекрасно удается.

Вторым примером, я исследовал третий закон Ньютона.Я взял две одинаковые книги. Обвязал их бечевкой каждую из двух книг, равных по весу, и соединил две бечевки несколькими резинками, сложенными вместе. Дальше я положил книги на гладкую поверхность и раздвинул их так, чтобы резинки были натянуты, и положил карандаш точно посредине.

Потом я одновременно отпустил обе книги, и каждая из них притянулась резинкой к карандашу на одинаковое расстояние.

Этот пример подтверждает закон о том, что действие и противодействие равны. Если одна книга тяжелее другой, то более тяжелая книга сдвинется на меньшее расстояние, но количества движения, сообщенные обеим книгам, от этого не изменятся. Они одинаковы.

Третьем примером, я исследовал пружины в игрушках. Я разобрался в этом, ознакомившись с устройством некоторых из них. Внутри этих игрушек – пружина. Сжатая пружина обладает потенциальной энергией, за счет которой тело может совершать работу. Дальше я поставил опыт. Я поместил пружину на металлический стержень от штатива. Сжал ее и связал ниткой. Поджег нитку, пружина взлетела высоко вверх. Пружина приобрела скорость, так как ее потенциальная энергия перешла в кинетическую.

Также примером послужило, когда я завел игрушку, поворачивая ключ, пружина внутри игрушки сжалась, увеличилась ее потенциальная энергия. Чем больше оборотов ключа я сделаю, тем сильнее сожмется пружина, тем больший запас потенциальной энергии получит пружина. Потом игрушку я отпустил. Пружина внутри игрушки начала раскручиваться, тем самым, потенциальная энергия пружины превращается в кинетическую энергию игрушки. В основе работы этих игрушек лежит закон сохранения механической энергии.

Дома я нашел пружинные пистолеты с пулями-присосками. Когда я вставил пулю в пистолет, сжалась пружина, находящаяся внутри. Деформированная пружина обладает запасом потенциальной энергии, за счет которой при спуске курка начинается движение пули. В соответствии с законом сохранения механической энергии потенциальная энергия пружины превращается в кинетическую энергию пули-присоски.

Можно объяснить и следующее за выстрелом явление присасывания пули к поверхности. Это явление можно объяснить существованием атмосферного давления. Когда присоска ударяется о поверхность, некоторая часть воздуха выбрасывается из-под присоски из-за этого удара. В результате силы атмосферного давления прижимают пулю-присоску к поверхности, т.к. атмосферное давление больше, чем давление под присоской.

При выполнении этой исследовательской работы о физике пружины я узнал много нового, заинтересовался изучением физики и лучше стал в ней разбираться. Эта работа доступна людям всех возрастов, ведь для объяснения работы,которые я предоставил достаточно знаний школьного курса физики.

С точки зрения классической физики, пружину можно рассматривать как устройство, накапливающее потенциальную энергию путём изменения расстояния между атомами эластичного материала. В теории упругости законом Гука установлено, что растяжение эластичного стержня пропорционально приложенной к нему силе, направленной вдоль его оси. В реальности этот закон выполняется не точно, а только при малых растяжениях и сжатиях. Если напряжение превышает определённый предел (предел текучести) в материале наступают необратимые нарушения его структуры, и деталь разрушается или получает необратимую деформацию.

В рамках своего исследовательского проекта о физике пружины я убедился, что по закону инерции шарик, находящийся в состоянии равновесия, стремится сохранить состояние покоя. Также во-втором примере, мне стало четко ясно, что действие и противодействие равны. При выполнении примера 3 и последующих, я стал лучше разбираться конструкциях игрушек и применение в них пружин.

На этом я не собираюсь останавливаться и планирую продолжить свою работу в следующем проекте по физике, ведь впереди еще так много интересного.

1. А.В. Перышкина – Законы ньютона;
2. Е. Н. Соколова «Юному физику» – движение по инерции;
3. Елена Тян - Закон Гука. Пионерские истории;
4. И. Я. Ланина «Внеклассная работа по физике» - деление игрушек по группам;
5. Савельев И.В. Курс общей физики - закон сохранения энергии;
6. Сасскинд Л., Грабовски Д - теоретический минимум;
7. Игрушки, действие которых основано на Архимедовой силе.
8. История пружин (по материалам википедии).
9. Инерция. Первый закон Ньютона.
10. Виды пружин.