Обработка резанием представляет совокупность действий, направленных на изменение формы заготовки путем снятия припуска режущим инструментом на металлорежущих станках с целью получения детали требуемой формы и размеров. Припуском на обработку называется слой металла, который срезается с заготовки в процессе изготовления де-тали. Величина припуска определяется разностью размеров заготовки и обработанной детали.
Кроме общего припуска различают промежуточный припуск. Промежуточный припуск — это слой металла, необходимый для осуществления определенной технологической операции. На величину припуска оказывают влияние такие факторы, как вид заготовки (отливка, штамповка, поковка, прокат и др.), материал заготовки, технологический процесс обработки, сложность конфигурации детали, требуемые точность и чистота обрабатываемых поверхностей и т. д.
При резании снятием стружки усилие резания воспринимается только одной (передней) поверхностью резца, благодаря чему отгибается и отводится в сторону слой снимаемого материала, т. е. образуется стружка. Вторая поверхность (задняя) оказывает давление на деталь и скользит по уже обработанной поверхности.
Пластической деформации подвергается весь отделяемый слой металла, превращающийся в стружку, а также те слои, которые непосредственно примыкают к острию клина инструмента, т. е. впереди стружки и на подрезцовой поверхности.
В зоне соприкосновения рабочих поверхностей инструмента и срезаемого слоя заготовки происходят упруго-пластические деформации, развивающиеся вплоть до отделения частиц металла и образования элементов стружки.
Токарные станки служат вот именно для такой обработки, при воздействии резца передней поверхностью на элемент срезаемого слоя вначале происходят упругие, а затем пластические деформации в ограниченной области вплоть до отделения стружки. В связи с относительной малостью упругой деформации в сравнении с пластической первой обычно пренебрегают и считают, что резание представляет процесс пластической деформации, доведенной до разрушения срезаемого слоя металла.
В процессе обработки резанием под влиянием внешней силы станка, приложенной к инструменту, на передней и задних поверхностях инструмента возникают нормальные силы и силы трения, которые вызывают деформацию срезаемого слоя и образование стружки, трение по передней и задней поверхностям инструмента, деформацию поверхностного слоя заготовки.
Процесс резания сопровождается выделением большого количества тепла, образуемого в результате деформации и трения по контактирующим поверхностям инструмента.
Деформации и тепловые явления определяют силы резания, расходуемую мощность, влияют на износ и стойкость инструмента, на характер температурного поля в зоне ре-зания, что приводит к изменению механических свойств обрабатываемого слоя металла около режущего инструмента.
Процесс стружкообразования сопровождается большим трением, завиванием и усадкой стружки, наростообразованием и износом режущего инструмента, упрочнением по-верхностного слоя и детали.
Для увеличения стойкости режущих инструментов , повышения класса чистоты обработанных поверхностей, уменьшения сил резания, облегчения процесса пластического де-формирования и удаления стружки при обработке резанием применяются смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ).
Виды движений при токарной обработке. Для осуществления процесса резания при токарной обработке необходимо иметь два одновременно действующих рабочих движения, одно из которых вращательное, а второе - поступательное. Вращение обрабатываемой заготовки называется главным движением, а скорость ее вращения — скоростью резания.
Поверхности на обрабатываемых деталях. В процессе резания на детали различают три поверхности:
- обрабатываемая поверхность, т. е. поверхность детали, которая подлежит обработке;
- поверхность резания, которая образуется на детали непосредственно режущей кромкой резца;
- обработанная поверхность, полученная после снятия стружки.
Повышение эффективности обработки материалов резанием непосредственно связано с созданием новых и совершенствованием существующих методов и средств контроля работоспособности режущего инструмента, которые должны базироваться на более глубоком представлении о физической сущности процесса резания и исследовании взаимосвязи явлений, возникающих при обработке.
Процесс резания представляет собой совокупность физико-химических явлений, в которую входят кинематика процесса резания, пластические деформации и разрушения в зоне стружкообразования, напряженное состояние инструмента и заготовки, трение, тепловые, электрические и др. явления, протекающие на контактных площадках режущего инструмента. Все они вместе взятые тесно связаны между собой и образуют единую систему резания. Структурная схема процесса резания определяет взаимосвязь между входными и выходными параметрами процесса, которые связаны между собой процессом резания (рис.1).
Входные параметры характеризуют систему ТОС – станок, приспособление, инструмент, деталь. Их можно разделить на 2 группы. Первая характеризует заготовку, параметры которой задаются конструктором (деталь Дт – ее материал и размеры) и технологом (способ получения заготовки, припуск, точность). Вторая группа характеризует станок Ст, его параметры, схему обработки Сх, инструмент Ин, режимы резания Рж, приспособление Пр, технологическую среду Ср.
Выходные параметры определяются как результат воздействия процесса резания на заготовку (они определяют ее эксплутационные характеристики: точность Тч, качество поверхностного слоя Кп (шероховатость, наклеп)) и на инструмент (его стойкость Си, прочность Пи), а также характеризуют производительность Пр и экономичность Эк процесса резания.
Рис.1 Структурная схема процесса резания
Электрические явления, сопровождающие процесс резания металлов, все более привлекают внимание исследователей. С одной стороны, возникающая термо-ЭДС является показателем средней температуры резания, характеризует степень пластической деформации, т.е. это важнейший физический фактор, характеризующий процесс резания. С другой стороны, как показали последние работы термо-ЭДС, и термотоки могут оказывать непосредственное влияние на процесс резания. Ниже предлагается глубокое теоретическое исследования электрических явлений при обработке металлов резанием.
Процессы генерирования происходят обычно с участием какого-либо внешнего источника, энергия которого расходуется на разрывы, электрических связей, существующих между зарядами в веществе. При резании металлов такой внешней энергией является механическая энергия, затрачиваемая на процесс отделения стружки от заготовки.
В металлических кристаллах все электроны энергетически расположенные в зоне проводимости. Распределение этих электронов по энергетическим состояниях зоны проводимости определяется распределением состояний в зоне и вероятностью их заполнения. Распределение состояний характеризуется функцией плотности состояний g(Е е), которая имеет вид параболы (рис. 2) И выражается в виде
(1)
де m d - ефективная масса плотности сотояний электронов;
h - постояная Планка;
Е е - енергия электрона.
Физический смысл энергии Ферми (рис.3) соответствует самому верхнему уровню проводимости, заполненным электронами при нулевой температуре.
Рис. 2 График функции плотности сотояний g (Е е) .
Рис. 3 Зависимость энергии электрона Е е от температуры Ө .
Значение энергии Ферми определяется следующим образом
, В, (2)
где n е - концентрация электронов.
В общем виде энергия электрона определяется как
, В, (3)
Первое слагаемое в формуле (3) характеризует среднюю энергию электрона при нулевой температуре и называется “нулевой” энергией, которая имеет квантовую природу. “Нулевая” энергия зависит от концентрации свободных электронов и эффективной массы плотности состояний электронов. Пластические деформации возникая в процессе резания металлов увеличивают плотность дислокации на четыре порядка, при этом изменяется величина эффективной массы плотности состояний электронов, что и позволяет некоторым электронам приобрести энергию достаточную для преодоления потенциального барьера и выйти на границу раздела между инструментом и деталью. Описанный процесс – это процесс электризации, что происходит при резании.
Второе слагаемое в формуле (3) зависит от температуры и характеризует “тепловую” энергию электрона. Сравнение величин “тепловой” и “нулевой” энергии электронов показывает, что даже при температурах плавления “тепловая” энергия электрона составляет единицы процентов от “нулевой” энергии. Такая слабая чувствительность электронов в металлах к нагреву вытекает из самого характера функции распределения электронов. Несмотря на то, что значение “тепловой” энергии невелико, все же малая часть электронов приобретает энергии, превышающей среднюю и может оказаться достаточной для преодоления сил, препятствующих выходу электронов из металла. Хотя таких электронов мало, но именно они обусловливают процесс термоэлектронной эмиссии, основным законом которой является формула Ричардсона-Дэшман, характеризующий зависимость тока эмиссии от температуры и работы выхода электрона. Термоэлектронная эмиссия является одним из компонентов термоэлектрической составляющей ЭДС резания, которую до недавнего времени считали основной причиной генерирования электрических сигналов при резании. Приведенный выше анализ показывает, что при резании металлов, когда температура в зоне контакта инструмента с деталью не превышает температуру плавления, энергия электрона определяется прежде всего “нулевой” энергией, которая зависит от степени пластической деформации.
Термоэлектрические явления связаны с возникновением электродвижущих сил в цепи разнородных проводников, в которых имеется градиент температуры, является эффектом Зеебека. Эффект оборотного выделения или поглощения теплоты в спае двух разнородных металлов, когда через него протекает электрический ток открытый Пельтье. Эффект Пельтье не является контактным явлением, а зависит от свойств металлов пары. Третий термоэлектрический эффект – эффект Томсона, который заключается в оборотном выделении или поглощении теплоты в однородном проводнике, по которому протекает электрический ток, при одновременном наличии градиента температуры. Несомненно, что эти термоэлектрические эффекты имеют место при резании металлов и изменят долю термоэлектрической составляющей в интегральной ЭДС резания.
Как уже отмечалось, энергию электрона можно изменить под действием пластической деформации. Это явление называется низкотемпературной (экзоэлектронной) эмиссией или эффектом Крамера. Экзоэлектронная эмиссия возникает в результате искажения электронного энергетического спектра твердого тела и последующей перестройкой его электронной структуры, связанной с появлением дефектов. Именно пластическая деформация, сопровождающая процесс резания металлов, приводит к появлению и размножению дефектов кристаллической решетки металла, что увеличивает плотность дислокаций на четыре порядка. Итак, пластическая деформация при стимулировании температурой, окислением, фазовыми превращениями является основным видом энергетического воздействия, ответственным за эмиссию так называемых “экзоэлектронов” при резании металлов.
В работе указывается, что при резании металлов в плоскости скольжения локализован поток дефектов кристаллической решетки, который возбуждает электроны металла, что и является основной причиной возникновения электрических сигналов при резании.
Эмиссия высокоэнергетических электронов может возникнуть в высоком вакууме. Высокий вакуум при резании образуется тогда, когда основным видом износа является адгезия. При разрыве адгезионного шва в микроскопических объемах как бы вдавливается воздух. Учитывая, что в зазоре между обертками условного конденсатора возникает энергетическое поле, то эмиссию быстрых электронов можно отождествить с автоэлектронной эмиссией. Автоэлектронная эмиссия является чисто квантовым эффектом, связанным волновыми свойствами электронов, и роль электрического поля сводится к формированию соответствующего потенциального барьера. Внешнее ускоряющее электрическое поле снижает потенциальную энергию за пределами твердого тела и меняет форму потенциального барьера, что влечет за собой образование потока свободных электронов.
Появление ЭДС в твердых телах вследствие увеличения элементарных носителей электрического заряда звуковыми и ультразвуковыми волнами, носит название акустоэлектрического эффекта или эмиссией волн напряжений, и является четвертой причиной генерирования электрических сигналов при резании.
Эмиссия волн напряжения возникает при резании за счет образования волн механического напряжения, когда точки фактического контакта инструмента с деталью деформируются. В работе отмечается, что, если локальный давления на контакте не превышает предела упругости мягкого материала, то в материале от деформирующего контакта распространяться упругая волна. Если давление достигает предела текучести материала, то в объеме тела распространяться две волны напряжения: упругая и за ней пластическая. Лебедев И.А. получил зависимость для разности потенциалов, возникающих под действием эмиссии волн напряжения. Анализ полученной зависимости показывает, что разность потенциалов от эмиссии волн напряжения зависит от электрических и акустических свойств материала, а также от интенсивности волн при взаимодействии поверхностей.
При обработке металлов возникают колебания и волны различных частот, поэтому ЭДС от эмиссии волн напряжения состоят из суммы ЭДС соответствующим всем составляющим спектра частот. Это одна из причин того, что в ЭДС резания присутствует переменная составляющая в широком диапазоне спектра частот.
Переменная составляющая ЭДС резания характеризует колебания энергии на контактных поверхностях режущего инструмента и детали. Величина и характер изменения переменной составляющей ЭДС резания зависит от тех факторов, влияющих на величину износа режущего инструмента. К таким факторам относятся: физико-механические свойства инструмента и детали, а также их неоднородность, давление, фактическая площадь касания, скорость относительного движения, вибрации, состояние контактирующих поверхностей, процессы схватывания и разрушения и так далее.
Впервые переменную составляющую ЭДС, по трению металлов, исследовал Дубинин А.Д. Дубинин А.Д. указывает, что нахождение зависимостей изменения потенциалов в поверхностных слоях пар, которые труться от различных факторов позволит установить связь изменения этих потенциалов величиной износа поверхности, что трется, поскольку прирост потенциала характеризует процесс увеличения энергии в поверхностном слое трущейся пары, и эквивалентна величине количества массы в поверхностном слое, разрушаемой в процессе трения. Все что было сказано в отношении процесса трения можно перенести и на процесс резания.
Таким образом ЭДС резания можно представить в виде суммы ЭДС, возникающих в результате:
1) термоэлектрических явлений, включая термоэлектронной эмиссии (Е Т)
2) экзоэлектронной эмиссии (Е ЕК);
3) автоэлектронной эмиссии (Е АВ)
4) эмиссии волн напряжений (Е ХН) и выражается в виде
Е = Е Т + Е EK + Е АВ + Е XH , В, (4)
резания 20, 50 и 100 м/мин, причем в зоне появления нароста вместе с фактическим значением ЭДС – Е Ф для данной скорости, учитывали и гипотетическую ЭДС – Е Ф, которая соответствует отсутствию нароста. По относительному увеличению ЭДС резания, которое характеризовали отношением ЭДС для двух выбранных скоростей резания 50 и 100 м/мин, расположили обрабатываемые материалы.
Наибольший прирост ЭДС соответствует мелкозернистой стали 8ХФ, молибдена, бериллия, пластической стали 10 и никеля. Стали, близкие по химическому составу, прежде всего по содержанию углерода и хрома расположены рядом. Стали с повышенным содержанием углерода инструментальные и отличающихся высокой износостойкостью стоят на первом месте, тогда как мелкозернистые и пластические замыкают ряд. Иными словами, наблюдается та же тенденция, что и для материала инструмента твердых сплавов. Увеличение карбидообразующих элементов и зерна в обрабатываемом материале вызывает рост ЭДС. При обработке таких материалов кривая Е(V) значительно раньше скорости резания достигает точки перегиба и насыщения. Для этих материалов отношение Rо/Rк, характеризующая площадь контакта, будет меньшим, чем для мелкозернистых и пластических материалов. Нагрузка на контакт, определяемое сечением среза, реализуется на меньшей фактической площади, что создает условия для реализации в контакте максимального числа микро выступлений, и насыщение кривой Е(V) происходит при меньшей скорости.
Общность, присущая механизму влияния на ЭДС как обрабатываемого материала, так и материала инструмента находится в хорошей соответствии с предложенной моделью генерации ЭДС, которая является принципиально симметричной относительно контактирующих поверхностей.
По этой причине при контакте одноименных материалов в зоне умеренных скоростей, сигнал носит знакопеременный характер. Выявленая общность позволяет сделать вывод о симметричности процесса резания с точки зрения генерирования ЭДС, который является специфической фрикционной парой. Тогда влияние карбидообразующих элементов связано с стирающим действием обрабатываемого материала. При сравнении ЭДС резания для частей одного прутка стали 40Х, который подвергли различной термообработке, наблюдаются две тенденции: увеличение ЭДС с ростом твердости обрабатываемого материала и рост ЭДС с увеличением зернистости перелита и переходом его в пластическое состояние. Известно, что параллельно увеличивается и истирающая способность стали 40Х. Однако основным механизмом влияния твердости обрабатываемого металла на ЭДС является повышение давления на поверхности раздела. Экстремальные истирающие условия создали при обработке чистового кремния. При этом ЭДС резания достигает сотен милливольт, то есть увеличивается на порядок. Исходя из термоэлектрической модели, полярность ЭДС резания аномальная, а ее величина дает минимально возможную температуру резания более 2300 °С, что лишено какого-либо смысла.
Следовательно, сопоставление традиционных характеристик обрабатываемости металлов с ЭДС резания позволяет сделать вывод о том, что она отражает реальное изменение их свойств в процессе обработки, т.е. является информативным сигналом.
Экзоэлектронная, автоэлектронная эмиссии и эмиссия волн напряжения влияют на “нулевую” энергию электрона, а термоэлектрические явления изменяют долю “тепловой” энергии в общей энергии электрона. До недавнего времени считали основной причиной генерирования электрических сигналов при резании термоэлектрические явления (Е = Е Т). Однако, все четыре составляющие равноценны и к тому же взаимосвязаны между собой. Одни и те же контактные поверхности инструмента с деталью могут быть источниками генерирования термоэлектронов, экзоэлектронов, автоэлектронов и электронов волн напряжения. Представленный выше анализ показывает, что энергия электрона, определяющий электрические явления при резании, зависит от концентрации электронов в материале инструмента и детали, температуры и степени пластической деформации.
Библиографический список
- Кретинин О.В., Еленин А.П. Выбор параметров для оценки износа инструмента в процессе обработки // Станки и инструмент 1981 № 2, с. 18-19.
- Васильев С.В. ЕДС и температура резания // Станки и инструмент, 1980, № 10, с.20-22.
- Николаев О.С. Критическое состояние металлов // Серия “Relata Refero”, 2006.
- Лебедев И.A. Про один механизм электрического возбуждения твердых тел в условиях трения // Электрические явления при трении, резании и смазке твердых тел. М.: Наука, 1973.-с.21-25.
- Костецкий Б.И. Износостойкость деталей машин // М.: Машгиз, 1950 – с. 168.
- Васильев С.В. Исследования электрических явлений при резании для коррекции режимов обработки // Методические рекомендации М.: ЕНИМС, 1981. – с.15.
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность: Если внимательно присмотреться к окружающему миру, то можно открыть для себя множество событий, происходящих вокруг. Издревле человека окружает вода. Когда мы плаваем в ней, то наше тело выталкивает на поверхность какие-то силы. Я давно задаю себе вопрос: «Почему тела плавают или тонут? Вода выталкивает предметы?»
Моя исследовательская работа направлена на то, чтобы углубить полученные на уроке знания об архимедовой силе. Ответы на интересующие меня вопросы, используя жизненный опыт, наблюдения за окружающей действительностью, провести собственные эксперименты и объяснить их результаты, которые позволят расширить знания по данной теме. Все науки связаны между собой. А общий объект изучения всех наук - это человек «плюс» природа. Я уверен, что исследование действия архимедовой силы сегодня является актуальным.
Гипотеза: Я предполагаю, что в домашних условиях можно рассчитать величину выталкивающей силы действующей на погруженное в жидкость тело и определить зависит ли она от свойств жидкости, объема и формы тела.
Объект исследования: Выталкивающая сила в жидкостях.
Задачи:
Изучить историю открытия архимедовой силы;
Изучить учебную литературу по вопросу действия архимедовой силы;
Выработать навыки проведения самостоятельного эксперимента;
Доказать, что значение выталкивающей силы зависит от плотности жидкости.
Методы исследования:
Исследовательские;
Расчетные;
Информационного поиска;
Наблюдений
1. Открытие силы Архимеда
Существует знаменитая легенда о том, как Архимед бежал по улице и кричал «Эврика!» Это как раз повествует об открытии им того, что выталкивающая сила воды равна по модулю весу вытесненной им воды, объем которой равен объему погруженного в нее тела. Это открытие названо законом Архимеда.
В III веке до нашей эры жил Гиерон - царь древнегреческого города Сиракузы и захотел он сделать себе новую корону из чистого золота. Отмерил его строго сколько нужно, и дал ювелиру заказ. Через месяц мастер вернул золото в виде короны и весила она столько, сколько и масса данного золота. Но ведь всякое бывает и мастер мог схитрить, добавив серебро или того хуже - медь, ведь на глаз не отличишь, а масса такая, какая и должна быть. А царю узнать охота: честно ль сделана работа? И тогда, попросил он ученого Архимеда, проверить из чистого ли золота сделал мастер ему корону. Как известно, масса тела равна произведению плотности вещества, из которого сделано тело, на его объем: . Если у разных тел одинаковая масса, но они сделаны из разных веществ, то значит, у них будет разный объем. Если бы мастер вернул царю не ювелирно сделанную корону, объем которой определить невозможно из-за ее сложности, а такой же по форме кусок металла, который дал ему царь, то сразу было бы ясно, подмешал он туда другого металла или нет. И вот принимая ванну, Архимед обратил внимание, что вода из нее выливается. Он заподозрил, что выливается она именно в том объеме, какой объем занимают его части тела, погруженные в воду. И Архимеда осенило, что объем короны можно определить по объему вытесненной ей воды. Ну а коли можно измерить объем короны, то его можно сравнить с объемом куска золота, равного по массе. Архимед погрузил в воду корону и измерил, как увеличился объем воды. Также он погрузил в воду кусок золота, у которого масса была такая же, как у короны. И тут он измерил, как увеличился объем воды. Объемы вытесненной в двух случаях воды оказались разными. Тем самым мастер был изобличен в обмане, а наука обогатилась замечательным открытием.
Из истории известно, что задача о золотой короне побудила Архимеда заняться вопросом о плавании тел. Опыты, проведенные Архимедом, были описаны в сочинении «О плавающих телах», которое дошло до нас. Седьмое предложение (теорема) этого сочинения сформулировано Архимедом следующим образом: тела более тяжелые, чем жидкость, опущенные в эту жидкость, будут опускаться пока не дойдут до самого низа, и в жидкости станут легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела.
Интересно, что сила Архимеда равна нулю, когда погруженное в жидкость тело плотно, всем основанием прижато ко дну.
Открытие основного закона гидростатики - крупнейшее завоевание античной науки.
2. Формулировка и пояснения закона Архимеда
Закон Архимеда описывает действие жидкостей и газов на погруженное в них тело, и является одним из главных законов гидростатики и статики газов.
Закон Архимеда формулируется следующим образом: на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (или газа) в объёме погруженной части тела - эта сила называется силой Архимеда :
,
где - плотность жидкости (газа), - ускорение свободного падения, - объём погружённой части тела (или часть объёма тела, находящаяся ниже поверхности).
Следовательно, архимедова сила зависит только от плотности жидкости, в которую погружено тело, и от объема этого тела. Но она не зависит, например, от плотности вещества тела, погруженного в жидкость, так как эта величина не входит в полученную формулу.
Следует заметить, что тело должно быть полностью окружено жидкостью (либо пересекаться с поверхностью жидкости). Так, например, закон Архимеда нельзя применить к кубику, который лежит на дне резервуара, герметично касаясь дна.
3. Определение силы Архимеда
Силу, с которой тело, находящееся в жидкости, выталкивается ею, можно определить на опыте используя данный прибор:
Небольшое ведерко и тело цилиндрической формы подвешиваем на пружине, закрепленной в штативе. Растяжение пружины отмечаем стрелкой на штативе, показывая вес тела в воздухе. Приподняв тело, под него подставляем стакан с отливной трубкой, наполненный жидкостью до уровня отливной трубки. После чего тело погружают целиком в жидкость. При этом часть жидкости, объём которой равен объёму тела, выливается из отливного сосуда в стакан. Указатель пружины поднимается вверх, пружина сокращается, показывая уменьшение веса тела в жидкости. В данном случае на тело, наряду с силой тяжести, действует еще и сила, выталкивающая его из жидкости. Если в ведёрко налить жидкость из стакана (т.е. ту, которую вытеснило тело), то указатель пружины возвратится к своему начальному положению.
На основании этого опыта можно заключить, что сила, выталкивающая тело, целиком погруженное в жидкость, равна весу жидкости в объёме этого тела. Зависимость давления в жидкости (газе) от глубины погружения тела приводит к появлению выталкивающей силы (силы Архимеда), действующей на любое тело, погруженное в жидкость или газ. Тело при погружении двигается вниз под действием силы тяжести. Архимедова сила направлена всегда противоположно силе тяжести, поэтому вес тела в жидкости или газе всегда меньше веса этого тела в вакууме.
Данный опыт подтверждает, что архимедова сила равна весу жидкости в объёме тела.
4. Условие плавания тел
На тело, находящееся внутри жидкости, действуют две силы: сила тяжести, направленная вертикально вниз, и архимедова сила, направленная вертикально вверх. Рассмотрим, что будет происходить с телом под действием этих сил, если вначале оно было неподвижно.
При этом возможны три случая:
1) Если сила тяжести больше архимедовой силы, то тело опускается вниз, то есть тонет:
, то тело тонет;
2) Если модуль силы тяжести равен модулю архимедовой силы, то тело может находиться в равновесии внутри жидкости на любой глубине:
, то тело плавает;
3) Если архимедова сила больше силы тяжести, то тело будет поднимается из жидкости - всплывать:
, то тело плавает.
Если всплывающее тело частично выступает над поверхностью жидкости, то объем погруженной части плавающего тела такой, что вес вытесненной жидкости равен весу плавающего тела.
Архимедова сила больше силы тяжести, если плотность жидкости больше плотности погруженного в жидкость тела, если
1) =— тело плавает в жидкости или газе,2) >— тело тонет,3) < — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
Именно эти принципы соотношения силы тяжести и силы Архимеда применяются в судоходостронии. Однако на воде держатся громадные речные и морские суда, изготовленные из стали, плотность которой почти в 8 раз больше плотности воды. Объясняется это тем, что из стали делают лишь сравнительно тонкий корпус судна, а большая часть его объема занята воздухом. Среднее значение плотности судна при этом оказывается значительно меньше плотности воды; поэтому оно не только не тонет, но и может принимать для перевозки большое количество грузов. Суда, плавающие по рекам, озерам, морям и океанам, построены из разных материалов с различной плотностью. Корпус судов обычно делают из стальных листов. Все внутренние крепления, придающие судам прочность, также изготавливают из металлов. Для постройки судов используют разные материалы, имеющие по сравнению с водой как большую, так и меньшую плотность. Вес воды, вытесненной подводной частью судна, равен весу судна с грузом в воздухе или силе тяжести, действующей на судно с грузом.
Для воздухоплавания вначале использовали воздушные шары, которые раньше наполняли нагретым воздухом, сейчас - водородом или гелием. Для того чтобы шар поднялся в воздух, необходимо, чтобы архимедова сила (выталкивающая), действующая на шар, была больше силы тяжести.
5. Проведение эксперимента
Исследовать поведение сырого яйца в жидкостях разного рода.
Задача: доказать, что значение выталкивающей силы зависит от плотности жидкости.
Я взял одно сырое яйцо и жидкости разного рода (приложение 1):
Вода чистая;
Вода, насыщенная солью;
Подсолнечное масло.
Сначала я опустил сырое яйцо в чистую воду - яйцо утонуло - «пошло ко дну» (приложение 2). Потом в стакан с чистой водой я добавил столовую ложку поваренной соли, в результате яйцо плавает (приложение 3). И наконец, я опустил яйцо в стакан с подсолнечным маслом - яйцо опустилось на дно (приложение 4).
Вывод: в первом случае плотность яйца больше плотности воды и поэтому яйцо утонуло. Во втором случае плотность солёной воды больше плотности яйца, поэтому яйцо плавает в жидкости. В третьем случае плотность яйца также больше плотности подсолнечного масла, поэтому яйцо утонуло. Следовательно, чем больше плотность жидкости, тем сила тяжести меньше.
2. Действие Архимедовой силы на тело человека в воде.
Определить на опыте плотность тела человека, сравнить ее с плотностью пресной и морской воды и сделать вывод о принципиальной возможности человека плавать;
Вычислить вес человека в воздухе, архимедову силу, действующую на человека в воде.
Для начала с помощью весов я измерил массу своего тела. Затем измерил объем тела (без объема головы). Для этого я налил в ванну воды столько, чтобы при погружении в воду я был полностью в воде (за исключением головы). Далее с помощью сантиметровой ленты отметил от верхнего края ванны расстояние до уровня воды ℓ 1 , а затем - при погружении в воду ℓ 2 . После этого с помощью предварительно проградуированной трехлитровой банки стал наливать в ванну воду от уровня ℓ 1 до уровня ℓ 2 - так я измерил объем вытесненной мной воды (приложение 5). Плотность я рассчитал с помощью формулы:
Сила тяжести, действующая на тело в воздухе, была рассчитана по формуле: , где - ускорение свободного падения ≈ 10 . Значение выталкивающей силы было рассчитано с помощью формулы описанной в пункте 2.
Вывод:Тело человекаплотнее пресной воды, а, значит, оно в ней тонет. Человеку легче плавать в море, чем в реке, так как плотность морской воды больше, а следовательно больше значение выталкивающей силы.
Заключение
В процессе работы над этой темой мы узнали для себя много нового и интересного. Круг наших познаний увеличился не только в области действия силы Архимеда, но и применении ее в жизни. Перед началом работы мы имели о ней далеко неподробное представление. При проведении опытов мы подтвердили экспериментально справедливость закона Архимеда и выяснили, что выталкивающая силазависит от объема тела и плотности жидкости, чем больше плотность жидкости, тем архимедова сила больше. Результирующая сила, которая определяет поведение тела в жидкости, зависит от массы, объёма тела и плотности жидкости.
Помимо проделанных экспериментов, была изучена дополнительная литература об открытии силы Архимеда, о плавании тел, воздухоплавании.
Каждый из Вас может сделать удивительные открытия, и для этого не нужно обладать ни особенными знаниями, ни мощным оборудованием. Нужно лишь немного внимательней посмотреть на окружающий нас мир, быть чуть более независимым в своих суждениях, и открытия не заставят себя ждать. Нежелание большинства людей познавать окружающий мир оставляет большой простор любознательным в самых неожиданных местах.
Список литературы
1.Большая книга экспериментов для школьников - М.: Росмэн, 2009. - 264 с.
2. Википедия: https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_Архимеда.
3. Перельман Я.И. Занимательная физика. - книга 1. - Екатеринбург.: Тезис, 1994.
4. Перельман Я.И. Занимательная физика. - книга 2.- Екатеринбург.: Тезис, 1994.
5. Перышкин А.В. Физика: 7 класс: учебник для общеобразовательных учреждений / А.В. Перышкин. - 16-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2013. - 192 с.: ил.
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4