XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ФИЗИКА В ОГОРОДЕ. ЛОПАТА И ВИЛЫ КАК ПРОСТЫЕ МЕХАНИЗМЫ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Корякова А.В. 1

---

1МАОУ "Средняя школа №1 имени И. И. Марьина"

Иванова И.Н. 1Боякова Т.С. 1

---

1МАОУ "Средняя школа №1 имени И. И. Марьина"

Работа в формате PDF

327.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

С давних пор человек обрабатывает землю, виды и способы обработки постепенно совершенствуются. Однако некоторые садовые инструменты используются десятилетиями. Появляются усовершенствования на их основе. Старожилами садово-огородных дел можно считать лопату и вилы, им и посвящается данный проект «Физика в огороде. Лопата и вилы как простые механизмы.»

Он поможет понять, почему при одинаковой приложенной силе (весе человека) вилы легче входят в плотную почву, чем лопата, а лопата эффективна для срезания пласта земли. Для объяснения нам потребуются знания из школьного курса физики по темам: Давление твердых тел, Простые механизмы, Центр тяжести, Сила трения.

В современном огородничестве подход к обработке земли стремительно меняется. На смену традиционной глубокой перекопке приходят принципы органического и точного земледелия. Сегодня популярны методы минимальной обработки почвы (No-Till и Strip-Till), использование высоких грядок и сохранение естественной структуры грунта для защиты полезных микроорганизмов. В таких условиях выбор между классическим лезвием и острыми зубьями становится не просто вопросом удобства, а экологическим решением. Каждый тип почвы, глубина обработки и вид садово-огородных работ требуют строго определенного распределения силы.

Актуальность темы

Население земного шара стремительно увеличивается, при этом большая часть проживает в городах, а количество сельского населения уменьшается. Частично разрешить продовольственные потребности люди могут на собственных садово-огородных участках. Садоводство и огородничество требуют значительных физических усилий и правильного подбора инвентаря. Эффективность работы на участке напрямую зависит от понимания законов физики, в частности — давления твердых тел на грунт. Каждый тип почвы и вид садово-огородных работ требуют определенного распределения силы.

Проблема исследования

При обработке земли часто перед земледельцем встает вопрос: какой инструмент использовать в конкретной ситуации — лопату или вилы? Под каким углом вводить их в почву? Какой длины черенок использовать и многие другие «простые» вопросы огородника. Неправильный выбор инвентаря приводит к быстрому утомлению, порче структуры почвы и повреждению корневой системы растений. Эта проблема обусловлена разным физическим воздействием инструментов на грунт.

Объект и предмет исследования

Объект: Процесс механической обработки почвы.

Предмет: физические принципы работысадово-огородного инвентаря.

Цель: изучить физические принципы действия лопаты и садовых вил.

Задачи:

1. Изучить теорию по теме проекта: формулу давления твердых тел, принципы действия рычага, сила трения.

2. Измерить площадь рабочей и опорной поверхности лопаты и зубьев вил. Рассчитать и сравнить давление, оказываемое инструментами на грунт при одинаковом усилии.

3. Определить положение центра тяжести инструмента.

4. Измерить плечо силы рабочих инструментов. Рассмотреть лопату/вилы как рычаг.

5. Сделать выводы

В связи с вышеизложенным выдвинем следующие гипотезы:

Гипотеза 1: вилы создают большее давление и легче проникают в плотную почву, так как суммарная площадь сечения зубьев вил меньше площади лезвия лопаты,

Гипотеза 2: на глубину проникновения инструмента в почву влияет трение грунта и поверхности.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. 1. Давление твердых тел.

Давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади опоры. Оба инструмента используют базовую формулу давления:

где, p — давление; Па (Паскаль).

F— сила давления, действующая на поверхность (H).

В нашем случае это сила, с которой человек наступает на перекладину лопаты или вил, часто равная или пропорциональная весу его тела;

S — площадь опоры (режущая кромка лезвия или зубья вил), (м² ).

Для лопаты — это площадь торца лезвия, для вил — суммарная площадь кончиков всех зубьев.

Чтобы давление увеличивалось, площадь опоры должна уменьшаться.

Согласно этой формуле, чем меньше площадь, тем большее давление оказывается на почву при той же приложенной силе.

Формула наглядно демонстрирует два типа математической зависимости:

1. Прямая пропорциональная зависимость от силы (p~F):

При неизменной площади опоры (S= const) увеличение силы приводит к пропорциональному увеличению давления. Пример: чем сильнее садовод давит ногой на лопату, тем больше давление на грунт и тем глубже она входит.

2. Обратная пропорциональная зависимость от площади (p~1/S):

При неизменной прикладываемой силе (F=const) уменьшение площади опоры приводит к резкому (пропорциональному) увеличению давления.

[1,4]

1. 2. Виды сопротивления рабочей поверхности.

1. Лобовое сопротивление (смятие): зависит от площади поперечного сечения (толщины лезвия лопаты). Чем тоньше металл, тем легче он входит в грунт.

2. Сопротивление трению: Зависит от полной площади боковой поверхности инструмента. Земля трется о металл, замедляя движение.

3. Сопротивление резанию: Зависит от длины режущей кромки, а не от общей площади.

Как снизить сопротивление на практике?

Уменьшить площадь контакта: Использовать узкие лопаты или лопаты с перфорацией (отверстиями) для уменьшения трения о влажную почву.

Изменить геометрию:Острое лезвие и клиновидная форма снижают лобовое сопротивление. Однако полукруглая режущая кромка более прочная по сравнению с прямоугольной, а, следовательно, и более тонкая. [5]

1. 3. Трение

Сила трения возникает при контакте двух поверхностей.

Сила трения скольжения: В классической механике сила трения не зависит от площади соприкосновения поверхностей. Однако при копании сопротивление почвы зависит от площади поверхности инструмента (лопаты, плуга) прямо пропорционально: чем больше площадь рабочей части, тем выше сопротивление.

Для уменьшения трения имеет смысл улучшить качество поверхности: использовать покрытия против налипания земли, снижающие коэффициент трения.

1. 4. Рычаги.

Рычаг - это простейший механизм (жёсткое тело), способный вращаться вокруг неподвижной оси или точки опоры.

Он позволяет поднимать тяжёлые грузы или преодолевать сопротивление с помощью приложения меньшей силы за счёт выигрыша в расстоянии.

Таблица 1

Центр тяжести — это воображаемая точка приложения равнодействующей всех элементарных сил тяжести,

действующих на частицы тела, относительно которой суммарный момент этих сил равен нулю.

При копке точка опоры: край ямы или кусок плотного грунта, на который опирается лезвие (штык) лопаты.

длинное плечо: черенок лопаты. надавливая на его верхний конец руками, вы прикладываете силу.

короткое плечо: расстояние от точки опоры до погруженного в землю полотна с грунтом.

правило равновесия рычага:

рычаг находится в равновесии, если отношение приложенных к нему сил обратно пропорционально длинам их плеч;

рычаг сбалансирован, если момент силы, вращающей его по часовой стрелке, равен моменту силы, вращающей его против часовой стрелки. [1,4]

F₁ l₁ = F₂ l₂

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Ход эксперимента

Оборудование: лопата, вилы, миллиметровая бумага, штангенциркуль, рулетка, гуашь.

Нанесли тонкий слой краски на режущую кромку (торец) лопаты и на кончики зубьев вил. Прижали вертикально к листу бумаги, чтобы остался четкий след, и считали по миллиметровке среднее количество закрашенных клеточек. Определить толщину кромки лезвия лопаты таким способом оказалось проблематично. Поэтому использовали ещё один способ: толщину измерили штангенциркулем, длину рулеткой.

2.2 Расчётная часть исследования.

Для чистоты эксперимента примем, что на оба инструмента воздействует один и тот же человек. (например F = 700 H, так как средняя масса человека равно 70 кг)

Расчёт для лопаты

Длина лезвия l = 20 см

Толщина заточенного края d = 0.15 см

Площадь опоры (S_л):

S_л = 0.2 0.0015 = 0.0003 м²

Давление лопаты (p_л):

P_л = = 2333333 Па 2.33 МПа (Мегапаскаля).

Расчёт для вил

Общая площадь четырех зубьев S_в = 0.277 см² 0.28 см²

Давление вил (p_в):

P_в = = 25000000 Па 25 МПа (Мегапаскаля).

Сравнительный анализ результатов

Разделим давление вил на давление лопаты:

2.3 Измерения

Для проверки/подтверждения теоретических выкладок необходимо провести измерения. Результаты внесены в таблицу 2.

Таблица 2

Лезвие лопаты имеет сплошную кромку. Даже хорошо заточенное, оно обладает относительно большой площадью соприкосновения S=3,0 см² лопаты по всей своей длине, у вил почти в 10 раз меньше.

Сила F распределяется равномерно по всей режущей линии лопаты и в местах контакта зубьев вил, из-за чего итоговое давление p на грунт у лопаты в 10 раз меньше. [2,3]

2.4 Выводы.

Уменьшение площади опоры является эффективным способом увеличить давление без необходимости тратить больше человеческой силы. Именно поэтому вилы физически легче входят в плотную почву, чем лопата.

Уменьшение длины режущей кромки также уменьшает сопротивление грунта при копании. Вилы вновь эффективнее лопаты.

При копании сопротивление почвы зависит от площади поверхности инструмента. Площадь поверхности лопаты гораздо больше, а следовательно и ее сопротивление.

Как рычаг вилы и лопата сопоставимы, поскольку черенки и нижние рабочие части инструментов почти одинаковые.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы над проектом удалось понять почему при одинаковой приложенной силе вилы легче входят в плотную почву, чем лопата.

Были изучены физические принципы действия лопаты и садовых вил.

Проведены измерения и расчеты для конкретных инструментов из собственного инвентаря.

Научилась определять площадь с помощью миллиметровой бумаги, пользоваться штангенциркулем. А также применять школьные формулы на практике, собирать расчёты и сравнивать их.

Проверили гипотезы и убедились, что 1) вилы создают большее давление и легче проникают в плотную почву, так как суммарная площадь сечения зубьев вил меньше площади лезвия лопаты; 2) на глубину проникновения инструмента в почву влияет трение грунта и поверхности.

Таким образом в своём огороде я буду использовать вилы для перекопки грядок, так как прилагаемые усилия будут меньше, чем при использовании лопаты.

Цели и задачи проекта были достигнуты.

Работу по изучению садово-огородных инструментов можно продолжить.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ И ЭЛЕКТРОННЫХ РЕСУРСОВ

1. Элементарный учебник физики : в 3 т. / под ред. Г. С. Ландсберга. — Т. 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. — М. : Физматлит, 2019. — 608 с.
2. ГОСТ 19596-87. Лопаты. Технические условия. — М. : Издательство стандартов, 1988. — 18 с. (Официальные параметры толщины лезвия и размеров штыковых лопат).

3. ГОСТ 19597-94. Вилы садово-огородные. Технические условия. — М. : ИПК Издательство стандартов, 1995. — 12 с. (Данные о геометрии и количестве зубьев).

4. Классная физика : образовательный сайт для тех, кто любит физику. — URL: http://class-fizika.

5. https://studfile.net Использование формулы акад. Горячкина для определения сопротивления копанию.