Использование закономерностей физики в техническом творчестве учащихся

В статье говорится о применении физических эффектов, явлений и закономерностей в техническом творчестве учащихся при решении технических задач. Активизация творческой деятельности учащихся по конкретным видам науки и техники является главной задачей учителя технологии и руководителя кружка общеобразовательной школе.

Ключевые слова: техническое творчество учащихся, применение физических эффектов, явлений, решение технических задач, интеллектуальное развитие учащихся.

The article refers to the application of physical effects, phenomena and laws in technical creativity of students in solving technical problems. Activation of the creative activity of students on specific science and technology is the main task of the teacher and technology leader mug secondary school.

Keywords: technical creativity of students, the use of physical effects and phenomena, the technical challenges, the intellectual development of students.

Подготовка учащихся к работе в народном хозяйстве, формирование у них любви к труду и умений творчески применять свои знания и навыки в процессе созидательной деятельности — одна из основных задач общеобразовательной школы. В решении этой задачи большую роль играет вовлечение учащихся в техническое творчество.

Особенно важно это в наши дни, так как современный этап научно-технического прогресса требует выведения всех отраслей народного хозяйства на передовые рубежи науки, техники и технологии, а поэтому, как указывается в основных направлениях реформы общеобразовательной и профессиональной школы, молодому че-ловеку, вступающему в самостоятельную жизнь,— рабочему, тех-нику, инженеру — необходимо самое современное образование, высокое интеллектуальное и физическое развитие, глубокие знания научно-технических и экономических основ производства, сознательное, творческое отношение к труду [6].

Развитие и совершенствование технических объектов, технологии обработки конструкционных материалов, возможно при условии широкого привлечения новых физических эффектов и явлений [1,2].

Для измерений и управления широко применяют радиоактивные изотопы. Они дают возможность проводить тончайшие измерения там, где другие методы оказываются бессильными. Радиоактивные изотопы могут работать в системе автоматического управления. С их помощью можно заглянуть в такие процессы производства, которые раньше были недоступны человеческому глазу: они позволяют увидеть то, что оставалось недосягаемым даже для точнейшей телевизионной камеры.

Когда прокатывается тонкая фольга, трудно контролировать ее толщину. Будь то жесть для промышленности, тонкие пленки пластмасс или бумага — все они должны иметь определенную толщину, конечно разную, в зависимости от того, где применяется эта пленка или жесть, но, само собой разумеется, одинаковую в каждом пространстве.

Измерять толщину фольги сложно и потому, что машины, которые прокатывают ее, допускают только небольшие отклонения — на доли миллиметра. Если отклонения будут больше, то машина может испортиться. Значит, чтобы этого не случилось, измерения нужно проводить непрерывно, не выключая машины.

Только радиоактивные изотопы впервые позволили проводить эти измерения с точностью до тысячных долей миллиметра, не прерывая производственного процесса. А если соединять измерительный инструмент с регулятором, то машина будет управляться автоматически.

Принцип действия такого измерителя одинаков для всех подобных устройств. Под пленкой или фольгой, выходящей из вальцовочной машины, будь то жесть или бумага, помещается источник излучения. Для этой цели подходит таллий-204 или для больших поверхностей стронций-90. Над пленкой находится прибор, который измеряет силу излучения, прошедшего через пленку. Даже при самых малых изменениях толщины материала, выходящего из машины, меняется и интенсивность излучения. И тогда прямо на шкале можно прочитать толщины пленки.

Тут одновременно решаются следующие задачи. Не нужно прерывать производство, чтобы делать контрольные измерения; достигается очень высокая точность измерений, и, кроме того, можно автоматически регулировать ход машины.

Такое же применение находят радиоизотопы при набивке ткани (при печатании рисунков на ткани) или при лакировке картона. Только здесь не годится неподвижный источник излучения. Здесь в краску добавляют небольшое количество коротко живущего изотопа. Когда ткань проходит мимо контрольного прибора, измеряют интенсивность излучения. Если нанесено слишком много краски, то интенсивность излучения увеличивается, а если слишком мало, — соответственно уменьшится. В обоих случаях автоматически уменьшается или увеличивается приток краски к валику. Как видите, и здесь объединено измерение и управление. Машина работает автоматически.

Когда части машины движутся, они изнашиваются. Чем сильнее трение и чем больше выделяется теплоты, тем больше изнашивается материал. Всегда очень сильно нагружаются зубчатые передачи, коленчатые валы, поршневые кольца и пальцы, подшипники. В интересах безопасности необходимо проверять износ этих деталей.

Радиоактивные изотопы контролируют степень износа очень точно и без прекращения производства. Они могут своевременно сообщить и о непредвиденном износе ответственных деталей. Для этого те детали машины, которые несут особенно большую нагрузку и поэтому должны подвергаться самому тщательному контролю, покрывают тонким слоем радиоактивного вещества. Поверх него наносят слои нормального, или неактивного, вещества. Толщина этого слоя равна допустимому износу детали. Во время работы с сильно трущихся частей стираются маленькие пылинки. Чтобы эта пыль не увеличивала износ, ее смывают смазочным маслом. Масло уменьшает трение и немного охлаждает детали.

Таким способом можно контролировать одновременно различные детали, даже тогда, когда система смазки для всех них общая. Надо только применить различные изотопы. И тогда по роду излучения и его интенсивности можно узнать, какие детали достигли уже предельной степени износа. Когда сотрется слой «нормального» материала, в смазочное масло попадут радиоактивные пылинки. Теперь стоит только погрузить счетчик в смазку, чтобы узнать, когда нужно заменять проверяемую деталь.

С помощью этого метода проводят исследования, чтобы найти материалы и смазочные масла, которые свели бы к минимуму износ деталей.

Доменная печь работает непрерывно с момента запуска (задувки). Под действием жара толстые печи постепенно выгорают. Поэтому важно знать, когда настанет такой момент, что печь нужно будет остановить, а ее стены заменить новыми. Если печь остановить слишком рано, то возникнут ненужные расходы. Если же пропустить время, то может произойти катастрофа.

Гамма-излучение радиоактивного кобальта дает новую возможность контроля. В отдельных слоях стен замуровываются ампулки с радиоактивным кобальтом. Теперь уже можно снаружи с помощью соответствующих измерительных приборов проверять, в порядке ли еще этот слой стены. Если в каком-то месте излучение уже не обнаруживается, то, значит, он уже выгорел. Можно время от времени брать пробы металла из доменной печи и проверять их радиоактивность. Если какой-нибудь слой уже выгорел, то в пробе обнаружится радиоактивность попавшего в плавку радиоактивного кобальта.

Добавляя радиоактивные газы (например, эманацию радия), можно измерить скорость движения газов в различных участках доменной печи.

Добавляя радиоактивную серу, можно определять содержание ее в расплавленном металле. Ее кладут в загрузку, и она смешивается с природной серой. Время от времени из печи берут пробы и проверяют, сколько там содержится радиоактивной серы. Относительно простыми расчетами можно определить, каково же содержание природной серы в различных составных частях загрузки (в металле, шлаке, газах) — ее должно быть как можно меньше.

Эти простые опыты заменяют длительные и трудоемкие химические анализы. Они значительно экономят время и дают возможность управлять доменным процессом быстрее и точнее.

Метод просвечивания гамма-лучами имеет много преимуществ по сравнению с просвечиванием рентгеновскими лучами. Во-первых, с помощью громоздких рентгеновских установок можно просвечивать в лучшем случае металлические детали толщиной в 2–3 см. А гамма-лучи радиокобальта легко проходят через металл толщиной до 20 см. Во-вторых, рентгеновские установки такого размера очень велики и сложны и их трудно перевозить. А излучатель с радиокобальтом может легко переносить один человек. Излучатель можно сделать даже совсем маленьким и поместить его там, куда с помощью рентгеновской установки добраться не удалось бы вовсе. Таким методом можно проверять и сварные швы.

На современном производстве только небольшая часть работы выполняется мускульной силы человека. Техника позволила поставить на службу человеку силы природы.

В цехе или на складе лежат круглые или четырехгранные прутки из стали, меди и алюминия, медные трубы, алюминиевые листы, разнообразной формы отливки, деревянные модели, доски и многие другие материалы. Это все твердые тела. Резервуары и чаны, ведра и бочонки наполнены жидкостями: смазочным маслом, бензином, скипидаром, серной кислотой, водой и т. п. Газы также находят разнообразное применение в производстве. Ацетилен и кислород применяют при автогенной сварке. В пламени светильного газа нагревают паяльники. Эти три вышеупомянутые состояния называют также «агрегатными состояниями».

Агрегатное состояние определяется не только свойствами данного вещества, оно зависит и от внешних воздействий на вещество. Изменяя температуру или давление, можно добиться перехода вещества из одного, состояния в другое.

В вырубной штамп требуется забить два цилиндрических штифта. Чтобы штифты прочно держались, диаметр штифта делается несколько больше диаметра просверленного отверстия. И вот возникает неожиданное затруднение. Один штифт не входит в штамп на глубину отверстия, а второй штифт без усилий можно ввести на желаемую глубину. Объясняется это тем, что штифт первый наглухо закрывает просверленный канал. Находившийся там воздух сжался при первых ударах молотка. Выйти из канала воздух не может и потому препятствует дальнейшему продвижению штифта вглубь. Не следует забывать, что воздух тоже есть тело, для которого требуется пространство, свободное от других тел.

Свободное падение бойка механического молота, применяемого для кузнечных работ, происходит под действием силы, которую называют силой протяжения Земли или силой тяжести. Каждое тело находится под воздействием силы тяжести. Земля тянет вниз каждый атом тела. Сумма всех этих сил притяжения составляет общую силу тяжести, действующую на тело. Можно считать, что на тело действует одна сила тяжести, приложенная только к одной точке называемой центром тяжести.

Если у вращающегося тела центр тяжести расположен вне оси вращения, то возникают силы, стремящиеся сместить ось вращения. Разбалтывание и износ подшипников являются следствием того, что положение центра тяжести вращающегося тела было плохо учтено при установке подшипника. Поэтому вращающиеся детали балансируют, добиваясь того, чтобы центр тяжести находился на оси вращения [5].

Силы упругости — это внутренние силы, стремящиеся вернуть деформированному телу его первоначальную форму. При этом безразлично, изменялась ли форма тела вследствие изгибания, растяжения, сжатия или кручения. Как только прекращается действие силы, вызвавшей деформацию, силы упругости возвращают смещенные части тела в их исходное положение.

Частота упругих колебаний зависит от формы, массы и упругих свойств колеблющегося тела. Каждое тело колеблется, подобно маятнику, с определенной частотой. Эта частота называется собственной частотой колебаний.

Упругие колебания имеют большое значение в технике. Их используют на транспорте для смягчения толчков, в измерительных приборах и т. д.

Ультразвуковыми называются волны, частота которых выше верхнего порога слышимости у человека (20 000 Гц).

Ультразвуком можно удалять газы из жидкостей, расплавленных металлов и сплавов. Две несмешивающиеся жидкости, например вода и масло, в поле ультразвуковой волны так сильно перемешиваются, что масло распределяется в воде в виде мельчайших капелек. В результате получается жидкость молочного цвета, называемая эмульсией. Для приготовления высококачественной фотографической пленки светочувствительную эмульсию, которой поливают пленку, предварительно обрабатывают ультразвуком. После такой обработки фотоэмульсия становится мелкозернистой.

Для промышленных целей наиболее употребителен способ получения ультразвука, основанный на магнитострикции, т. е. на изменении размеров некоторых металлов и сплавов под воздействием магнитного поля. Простейший магнитострикционный излучатель ультразвуков — это стержень из никеля, помещенный внутрь катушки с током. Если через обмотку такой катушки пропускать высокочастотный переменный ток, в катушке возникнет переменное магнитное поле, при этом стержень будет периодически сжиматься и расширяться с частотой подводимого к катушке тока и излучать ультразвуковые колебания. Магнитострикционные излучатели позволяют получать колебания с частотой до 100 000 Гц.

Ультразвуковым инструментом, производящим сверление (вернее долбежку) сверхтвердых или хрупких материалов, служит стержень из магнитной стали, конец которого имеет форму требуемого отверстия. Стержень прикреплен к магнитострикционному излучателю и колеблется с его частотой и амплитудой порядка 0,05 мм.

В пространство между торцом инструмента и обрабатываемым материалом подается смесь абразивного порошка (карбида бора или карбида кремния) с водой. Частицы абразива, приходя в колебание, ударяют в материал и нарушают его целостность. Разрушение материала, начатое действием частиц абразива, завершается под влиянием особого явления, возникшего в колеблющейся жидкости, — кавитации.

Если в припое, нанесенном на поверхность алюминия, заставить распространяться ультразвук, то возникшая в припое кавитация разрушит оксидную пленку и алюминий залудится.

Используя возможности практически мгновенного срыва оксидной пленки ультразвуком, удается покрывать алюминий медью в гальванических ваннах. Это дает большую экономию цветных металлов.

Неслышимые звуки с частотой, меньше 16 Гц, называются инфразвуками. В настоящее время инфразвуки нашли разнообразное применение в технике.

При работе механизмов зазоры между сопряженными деталями со временем изменяются. Если величина их превысит допустимое значение, возникают дополнительные вибрации с инфразвуковой частотой, которые свидетельствуют о неисправности данного соединения. Таким образом удается заранее определить степень износа деталей машин и тем самым предупредить их разрушение.

Искусственно создаваемый инфразвук применяется при сейсмической разведке полезных ископаемых [3].

В технике различают прочность статическую (когда действующие силы остаются постоянными или плавно возрастают), циклическую (когда действующие силы периодически изменяются по величине или по направлению) и прочность ври высоких температурах.

Циклические нагрузки, вызывая «усталость» металла, снижают его прочность (появляются очаги разрушения, которые постепенно растут). Наибольшее напряжение, которому можно подвергать при циклической нагрузке материал, не вызывая его разрушения, называется пределом усталости. Чем выше предел усталости материала, тем лучше он выдерживает циклические нагрузки.

Ряду деталей в технике приходится работать при высоких температурах (1700°С и более): деталям газовых турбин, реактивных двигателей и др. Деформация металла под действием постоянной нагрузки при длительном воздействии температуры называется ползучестью. Деформация ползучести незначительна, но со временем она накапливается, что может привести к разрушению деталей машин.

Усталость металлов — это снижение их прочности из-за образования в них мельчайших трещин. Почему появляются трещины усталости? Предполагают, что трещины возникают в местах неоднородной структуры металла. Металл имеет кристаллическое строение. Получить при выплавке металла одинаковые по прочности кристаллики невозможно. Всегда попадаются кристаллики с прочностью ниже средней. Эти «слабые» зерна и являются местом появления трещин усталости.

На усталость металла влияет состояние его поверхности. Полированная деталь менее «устает», чем шлифованная. Царапины снижают сопротивление усталости. Таким образом, красивая отделка — не роскошь. Чтобы повысить выносливость металла, надо улучшить его поверхностные свойства. Например, обкатать поверхность детали стальными закаленными роликами или «обдуть» деталь стальными дробинками. Увеличивающиеся прочность и твердость поверхностного слоя приводят к увеличению прочности всей детали [7].

При конструировании сооружения или машины все детали ее рассчитываются на прочность. Часто из-за невозможности определения возникающих в деталях напряжений приходится вслепую увеличивать запас прочности, что приводят к излишней трате материалов и увеличению размеров машин.

Как известно, механическая нагрузка изменяет форму детали: растягивает, изгибает, скручивает ее и т. д. При этом изменяются, свойства металла, в том числе и его электрическое сопротивление. Последнее явление положено в основу электрического метода определения механических напряжений в деталях машин. Но детали обычно имеют большое сечение, изменение их электрического сопротивления при нагрузке незначительно, поэтому для измерения механических напряжений в деталях машин на испытываемую деталь наклеивают так называемый датчик, представляющий собой очень тонкую (диаметром 0,02–0,05 мм) проволоку из константана или нихрома, сложенную зигзагом (от 2 до 40 петель) и вклеенную между тонкими бумажными листками. При деформации проволока тоже деформируется, причем тем сильнее, чем больше зигзагов в датчике, поэтому ее сопротивление колеблется в значительных пределах. По проволоке пропускают постоянный ток, который изменяется пропорционально деформации детали. Колебания тока усиливаются приборами, а затем фиксируются на плевке или наблюдаются на экране осциллографа.

Современная техника стремится к изготовлению изделий из металла высокой прочности, но для их обработки приходится применять режущие инструменты из сверхтвердых сплавов, которые очень дороги и сложны в производстве, в связи с этим на помощь традиционным методам обработки конструкционных материалов приходят методы основанные на физике электрического разряда [3].

Например, анодно-механический метод обработки металлов позволяет решить несколько задач:

1.                  можно обрабатывать поверхности любой формы;

2.                  скорость обработки в сотни раз превышает скорость механической обработки;

3.                  отпадает необходимость применения режущих инструментов из сверхтвердых сплавов.

Принцип этого метода заключается в том, что медный диск, вращающийся в электролитической ванне, соединяют с отрицательным полюсом, а изделие, погруженное в ту же ванну, соединяют с положительным полюсом. По диску и изделию пропускают электрический ток в 100–200 А.

В месте соприкосновения диска-катода с изделием-анодом поверхность металла, подвергающаяся обработке, начинает разрушаться. Разрушение происходят в результате одновременного протекания нескольких процессов. Электрохимический процесс приводит к разрушению поверхности изделия, но одновременно с этим на поверхности появляется токонепроницаемая пленка, тогда проскакивает искра, которая разрушает токонепроницаемую пленку, а с нею вместе и часть металла изделия. При проскакивании искры в ее стволе температура бывает очень велика. При этой температуре кусочки разрушенной пленки и металла плавятся.

Известно, что молния (высоковольтный электрический разряд) обладает сокрушительной силой и может разрушать самые прочные тела [4]. В технике используют для обработки материалов большую разрушающую силу высоковольтного разряда, происходящего в жидкости. Искра, возникающая при электрическом разряде, имеет определенный объем, она возникает мгновенно и, следовательно, должна с огромной силой раздвигать жидкость, вызывая сверхвысокое ударное давление — гидравлический удар. Возникновение гидравлического удара в результате электрического разряда в жидкости было названо электрогидравлическим эффектом.

Электрогидравлический эффект способен разрушать самые твердые неметаллические вещества. Зона разрушительного действия эффекта ограничена сравнительно небольшим пространством, что весьма существенно для практического использования эффекта.

Электрогидравлический эффект может быть использован в различных областях техники для обработки самых твердых материалов, например алмаза, корунда. Электрогидравлический эффект может быть использован также при проходке шахт в твердом грунте и туннелей в скалистых породах и в других аналогичных ситуациях [3].

Полупроводники — это вещества, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между металлами (хорошими проводниками) и изоляторами.

Известно, что в металле имеются свободные электроны; их направленное движение и представляет собой электрический ток. В изоляторе все электроны прочно связаны с атомами и молекулами, в результате ток проводимости через изолятор не проходит.

В полупроводниках электроны связаны, как и у изоляторов, но эта связь значительно слабее и легко нарушается. Такое нарушение связи может произойти, например, в результате нагревания полупроводника. Работа «освобождения» электрона может быть совершена за счет возросшей (при нагревании) энергии беспорядочного движения атомов и молекул. Чем сильнее нагревается полупроводник, тем быстрее движутся его атомы и молекулы, тем больше появляется в нем свободных электронов и тем лучше полупроводник проводит электрический ток.

При весьма низких температурах энергия беспорядочного движения атомов и молекул мала, число свободных электронов также незначительно и полупроводник ведет себя как изолятор. Полупроводник очень чувствителен к изменению температуры. Если при нагревании платины на 300 ^оС ее сопротивление возрастает в 2 раза, то при нагревании некоторых видов полупроводников на 300°С их сопротивление изменяется в несколько тысяч раз. Высокая чувствительность полупроводников к изменению температуры позволила создать новые приборы — термисторы.

Использование инфракрасных лучей в устройствах для ночного видения. Известно, что окружающие нас предметы, животные, растения н другие излучают в пространство инфракрасные (невидимые, тепловые) лучи, которые уносят при этом некоторую часть внутренней энергии излучающего предмета. Если инфракрасные лучи превратить в видимые, то мы можем увидеть контуры тех предметов, которые испускают инфракрасные лучи.

Если на пути инфракрасных лучей, идущих от предмета, установить объектив, а затем полупрозрачный фотокатод, то на этом фотокатоде можно получать невидимое, перевернутое и уменьшенное изображение объекта. Под действием энергии падающих на фотокатод инфракрасных лучей из него вырываются с противоположной стороны электроны. Таких вырванных электронов в каждой точке фотокатода будет тем больше, чем больше энергия падающих в эту точку инфракрасных лучей [5].

Далее за фотокатодом ставят флуоресцирующий экран и создают между ними сильное постоянное электрическое поле, ускоряющее электроны. Вылетевшие из фотокатода электроны с большой скоростью устремляются к экрану и ударяются в него. Интенсивность свечения отдельных участков экрана пропорциональна числу падающих на них электронов.

Таким образом, электронный поток, попадая на экран, воспроизводит на нем точную видимую копию невидимого изображения в инфракрасных лучах. Инфракрасные лучи нашли себе применение в радиолокации. Новая система радара состоит из приемника инфракрасных лучей.

Таблица 1

Применения физических эффектов и явлений при решении технических задач

Из выше сказанного можно сделать следующий вывод, что приобщении учащихся к техническому творчеству вооружит их необходимыми знаниями, комплексом методов и средств для ведения современных разработок новых технических объектов, соответствующими навыками, стимулирующими активное использование всех ранее накопленных в учебном заведении знаний для последовательного совершенствования современного производства.

Литература:

1.         Сидоров О. В. Дидактическое обеспечение обучения будущих учителей технологии и предпринимательства электрофизическим и электрохимическим методам обработки конструкционных материалов // диссертация на соискание ученой степени кандидата педагогических наук: код специальности 13.00.08. Тория и методика профессионального образования /О. В. Сидоров — Новокузнецк, НГПИ. 2002. — 148с.

2.         Сидоров О. В. Изучение электротехнологии в процессе обучения учителя технологии и предпринимательства как фактор повышения качества его подготовки [Текст]/ О. В. Сидоров, А. С. Тихонов /Наука и педагогическое образование в 3-м тысячелетии (состояние и проблемы технологического образования): (межвузовский сборник научных трудов). — Новокузнецк: Издательство КузГПА, 2002. — С.84–87.

3.         Сидоров О. В. Электрофизические и электрохимические методы обработки конструкционных материалов: учеб. пособие [Текст] /О. В. Сидоров, А. С. Тихонов; под ред. А. С. Тихонова. — 2-е изд., испр. и доп. — Ишим: изд-во ИГПИ, 2009. — 184с.

4.         Сидоров О. В. Новые способы в обработке металлов. [Текст]/О. В. Сидоров, Л. В. Яковлева. Вестник Ишимского государственного педагогического института им. П. П. Ершова. 2014 № 6 (18). С 113–119.

5.         Симоненко В. Д. Естественнонаучные основы технологической подготовки школьников [Текст]/ В. Д. Симоненко, А. С. Тихонов. Монография. — Брянск. Издательство Брянского государственного университета, 2002.- С. 72–106.

6.         Техническое творчество учащихся [Текст]. Пособие для учителей и руководителей кружков: Из опыта работы:/Сост. П. Н. Андрианов, -М.: Просвещение, 1986.- 128 с.

7.         Фетисов Г. П. Материаловедение и технология металлов [Текст] / Г. П. Фетисов, М. Г. Карпман, В. М. Матюнин и др. Учебное пособие. Издание второе, исправленное. — М.: Издательство. Высшая школа, 2002. — 640с.