УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ДЕЙСТВИЯ КЛИНА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

Применение клина в промышленности достаточно актуально: это клиновой пресс с переменным углом клиновидности, который компенсирует изменение силы сопротивления материала заготовки, с приведенным к клину постоянным усилием со стороны привода. Запорная и регулирующая арматура, отсечные клапана, прекращающие подачу воды на гидротурбину, либо пара - на паровую турбину; в автомобильном транспорте (тормозные системы), в железнодорожном - клиновой гаситель колебаний тележки грузового вагона. Широко клин применяется в быту (топор, колун, нож).
Предлагаемая установка (рис.4) может быть успешно использована при проведении лабораторных работ на уроках физики в школе как учебное пособие для изучения действия клина и определение его коэффициента полезного действия.
Наша промышленность выпускает различные учебные пособия для практического изучения механики, но подобной установки автором предлагаемой полезной модели не обнаружено. Единственное, что выпускается нашей промышленностью для школьных кабинетов физики из подобного это металлический каток с проволочной подвеской для определения силы трения качения и к.п.д. наклонной плоскости.
Прототипом моей установки послужил рисунок из старого школьного учебника физики под редакцией Фетисова (рис.5). Простой рисунок из старого учебника, реализованный на практике, оказался нежизнеспособным. На рис.3 (фотография) представлена установка с проведенной небольшой модернизацией. По ходу работы с этой моделью возникало много вопросов: в такой конструкции установки невозможно было добиться равномерного движения клина, т.к. верхний валик смещался от вертикальной оси на величину h нижнего валика (Кинематическая схема прибора первой модели, рис.1). Это один из недостатков из-за чего происходило торможение клина при движении. В исходном положении обух клина 9, имеющий массу, ложился на платформу 1, что, фактически не позволяло добиться равномерного и прямолинейного движения клина 9. Пришлось в обух клина вставить спицу 10, которая при движении скользила по опоре 2, компенсирующая массу клина 9. При этом возникла следующая проблема - когда происходило движение клина 9, спицу 10 заклинивало в опоре 2, работа установки уже была невозможна, т.е. не выполняла своего назначения. Пришлось отказаться от данной конструкции и разработать принципиально новую установку.
На рис.4 (фотография) представлена предлагаемая полезная модель. Установка для изучения действия клина и определение его коэффициента полезного действия при проведении лабораторных работ на уроках физики в школе, как учебное пособие.
Предлагаемая полезная модель состоит (Кинематическая схема второго прибора, рис.2) из станины 1, на ней закреплена опора 2, на которую опирается спица 14 с упором 16, подшипниковая опора 3 на котором закреплен валик 12, состоящий из самого валика 12 вала и подшипников 10 качения. На станине 1 установлены салазки 4, которые связываются фиксирующей распоркой 11 и
являются направляющимися для платформы 9, на станине 1 установлен блок 6, на котором натянута нить 8, связывающая клин 13 и чашечку с разновесами 7. На станине 1 установлена упорная рейка 5, на которую опирается опорный подшипник 15 платформы 9. На подвижной платформе 9 закреплен валик 12 с валом на подшипниках 10 и опорный подшипник 15.
При проведении лабораторной работы устанавливаем на платформу 9 груз (необходимо учитывать массу платформы, которая определяется перед монтажом). На чашечке 7 устанавливаем разновесы, которые уравновесили груз с платформой 9, т.е. клин 13 при этом не совершал движение и не осуществлял подъем платформы 9. Легким толчком выводим из равновесия клин 13, закрепленная чашечка с разновесами 7 посредством нити 8, удерживаемая блоком 6 опускается вниз. Спица 14 задает траекторию движения клина и скользит по опоре 2. Упор 16 ограничивает движение клина 13 до момента соскальзывания с валиков 12. Валики 12 приводятся во вращение, при этом происходит подъем платформы.
Решение установить подвижную платформу 9, обусловлено тем, чтобы исключить предыдущую ошибку, где платформа закреплена одним шарниром 17 (Кинематическая схема установки первой модели, рис.1), из-за этого происходило смещение валиков.
Чтобы при движении платформы по салазкам 4 снизить трение (рис.6), пришлось в тело платформы 9 вмонтировать металлические втулки 18.
Испытание установки выявило очередные недостатки установки: при движении клина 13 (рис.7) происходило перекашивание платформы 9, т.к. при движении вверх она отклонялась в сторону движения клина. Установка упорной рейки 5 и опорного подшипника 15, установленного на платформе 9, решило эту проблему. Теперь при движении платформы 9 вверх подшипник ограничивал смещение платформы в сторону движения клина и скользил по упорной рейке.
На рис.8 показано движение клина 13 по заданной траектории, которая зависит от угла лезвия клина. При этом ось клина всегда остается параллельной станине, что обеспечивает его прямолинейное движение. Траекторию движения клина 13 задает спица 14, которая установлена параллельно щеки клина 13. Такое решение позволило исключить ошибку при измерениях.
Хочу отметить: в расчетах невозможно было использовать данные динамометра для определения силы, действующей на щеку клина, т.к. показано на рисунке из школьного учебника Фетисова (рис.5). Основная причина - при замерах невозможно выполнить эту операцию из-за конструктивной особенности моей установки. Платформа может перемещаться в вертикальной плоскости, а динамометр надо располагать перпендикулярно щеки клина. Пришлось использовать расчетный метод.
Перед проведением опытов станина была выставлена по строительному уровню. Эта мера позволила снизить погрешность измерений. С каждым клином проводилось четыре опыта. Результаты заносились в таблицу. Пришлось в расчетах учитывать массу клина, т.к. к.п.д. в противном случае получалось близким к 100% и более 100%, что не может быть.
Все измерения и расчеты сведены в таблицы. Из табличных значений построены графики, проведен анализ.
Когда была изготовлена установка, предполагалось провести лабораторную работу на одном клине. Выяснилось, что при установке различных разновесок на платформу результаты вычисления к.п.д. были различными. Родилась идея изготовить несколько клиньев и выяснить имеет место какая-либо закономерность?
На графике (Рис.9) представлено изменение к.п.д. с различным покрытием клиньев. Самое большое трение возникает на покрытии из наждачной бумаги. На графике это хорошо видно. Изменения к.п.д., практически, не наблюдается с ростом нагрузки. Скорее всего, это особенность самой установки. Из графика «скотч» и «лиственница» видно, что они пересекаются в одной точке. Как это объяснить? Необходимо дополнительное проведение исследования.
При угле клина в 18° и увеличении нагрузки на щеку клина к.п.д. снижается. Это явление можно объяснить увеличением трения в узлах установки. При изменении покрытия поверхности клина сила трения изменяется, что так же сказывается на величине к.п.д.
Рассмотрим поведение клина №3-16 градусов (Рис.10). В покрытиях лиственница, скотч, одна и та же направленность изменения к.п.д. С возрастанием массы, действующей на щеку клина, происходит снижение к.п.д. Почему не происходит таких же изменений с тем же клином, но с другим покрытием? К.П.Д. при увеличении массы сначала возрастает, а затем снижается. Казалось бы, возросло только трение в узле валик - клин и картина должна была сохраниться, как и в выше рассматриваемых графиках. Этого не произошло. Вполне возможно из-за возрастания трения по-другому стали работать другие узлы. В частности узел платформа - салазки.
На графике (угол клина 14° Рис.11), при увеличении нагрузки на щеку клина изменение к.п.д. незначительное и не имеет явной направленности в сторону повышения и в сторону понижения. Можно предположить: чем меньше угол клина, тем к.п.д. более стабильно при различных нагрузках. Неравномерность всех графиков указывает на недостатки установки и на точность изготовления клина. Хотелось отметить, что данные графики имеют, практически, одну зависимость поведения к.п.д.
Представленные два графика (Рис.12) клин №3 и №4 (клин №5 и №6), которые изготовлены из одного материала, имеют угол 16° (14°) и одинаковые размеры, однако при проведении серии опытов к.п.д. получилось различным, но по изменениям к.п.д. имеют схожую зависимость. Различие в величинах к.п.д. объясняется несовершенством изготовления клиньев. Можно с уверенностью сказать, это видно из графиков, схожие по физическим характеристикам клинья, имеют схожее поведение графиков.
Клин №7 был изготовлен из сосны. График (Рис.13) «скотч», «сосна» практически совпали, можно сказать, что два разных покрытия щеки клина имеют одинаковое сопротивление. Таким образом, в поведении клина сохраняется общая закономерность.
Предлагаемая полезная модель (рис.4) отличается от прототипа (рис.5) тем, что:
1. Применяется подвижная платформа 9 (рис.2), которая скользит вертикально по салазкам 4, зафиксированным распоркой 11. Таким образом, устраняется недостаток смещения валиков;
2. Применяется упорная рейка 5, на которую опирается опорный подшипник 15 платформы 9 и спица 14 задающая траекторию движения клина;
3. В обух клина установлена спица, которая при движении скользит по опоре 2, компенсируя силу тяжести и задает траекторию движения;
4. Применяется расчетный метод определения силы, действующей на обух клина во время проведения опытов. Таким образом, исключается ошибка при измерении этой силы динамометром.