Курс: «Физика и механика», модуль «Возобновляемая энергия»
Судовая лебедка
Самый большой круизный лайнер в мире под названием Harmony of the Seas (Гармония морей) вышел в свое первое плавание, сообщает Associated Press. Длина 16-палубного лайнера — 362 метра (он на 50 метров длиннее, чем Эйфелева башня), ширина — 66 метров, а вес — 120 тысяч тонн. Он вмещает 6,3 тысячи пассажиров и 2,1 тысячи членов экипажа. Судно сравнивали с "плавающим городом": в частности, в нем 2,5 тысячи кают, 20 обеденных залов, 23 плавательных бассейна и парк с более чем 10 тысячами растений и 50 деревьями.
Физика
  • Накопление энергии
  • Передача энергии
  • Эффективность использования энергии
  • Научные исследования
Технология
  • Работа с чертежами
  • Сборка модели
  • Оценка качества сборки
  • Механическая лебедка
Проектирование
    • Конструкторские расчеты
    • Определение вида энергии
    • Исследования и измерения
    Математика
    • Расчет эффективности
    • Обработка результатов измерений
    • Измерение расстояний
    • Регистрация показаний приборов
    В технический словарик
      • Эффективность
      • Расстояние
      • Трение
      • Мощность
      • Нагрузка
      • Масса
      • Работа
      Дополнительно потребуется
        • Линейка или измерительная рулетка
        Установление взаимосвязей
        Судовая лебедка предназначена для выполнения разгрузочно-погрузочных работ на судне. Принцип действия лебедки основан на использовании в ее конструкции системы блоков и канатов. Ее мощность можно менять путем замены системы блоков.

        Теперь займемся сборкой модели судовой лебедки и исследованием характеристик системы блоков на ее грузоподъемность.
        Конструирование
        Сборка модели судовой лебедки
        (Технологические карты 6А и 6В, с. 63, шаг 26)
        • Проверьте качество сборки и работоспо- собность модели. Ослабление втулки может уменьшить трение.
        • Плотно соедините разъемы.
        Подготовка эксперимента

        • Установите лебедку на край стола и обеспечьте свободное движение груза, подвешенного на нити, вверх и вниз
        • Зарядите ЛЕГО®-мультиметр, соединен- ный с лебедкой, до уровня не менее 50 Дж.
        Рефлексия
        Подъем груза

        Учащимся должны исследовать влияние системы блоков на мощность лебедки, необходимую для подъема груза заданной массы.

        Сначала предложите учащимся подумать, какая мощность необходима для работы судовой лебедки без груза (см. рисунок), а затем измерить её и запи- сать полученный результат.
        Попросите их после этого подумать, какая мощность судовой лебедки нужна, чтобы поднять груз с помо- щью одного неподвижного блока, и тоже измерить её и записать полученный результат.

        И, наконец, пусть ребята соберут лебедку с двумя не- подвижными и одним подвижным блоком и продела- ют с ней всё, то же самое.
        (Технологические карты 6А и 6В, с. 64, шаг 1)

        Чтобы определить, какая мощность лебедки тре- буется для подъема груза, надо из результатов из- мерений её работы с грузом вычесть результаты, полученные при работе без груза. Данные будут отличаться друг от друга. Учащиеся обнаружат, что система с двумя неподвижными и одним под- вижным блоками требует существенно меньшей мощности для подъема груза по сравнению с одно- блочной системой. Таким образом, лучше исполь- зовать трехблочную конструкцию. Влияние других факторов на эффективность работы лебедки, таких как, например, трение, менее существенно.

        Чтобы проверить, как учащиеся усвоили мате- риал, задайте им следующие вопросы:

        • Какие факторы вы учитывали, выдвигая свои предположения?
        • Как вы можете объяснить полученные результа- ты?
        • Можете ли вы определить закономерность полу- ченных результатов?
        Время подъема груза при использовании большего числа блоков заметно увеличивается.

        • Чем обеспечивается достоверность полученных вами результатов?
        Необходимо провести измерения несколько раз при одинаковых условиях, то есть не менять условия, которые влияют на эффективность работы ле- бедки, например, не ослаблять втулку.

        Развитие
        Учащихся должны определить коэффициент полезного действия (КПД) лебедки (в процентах) путем расчета теоретически не- обходимой (полезной) работы и измерения работы, реально затраченной на подъем груза на высоту 60 см.
        Полезная работа рассчитывается по формуле:
        Затем предложите ученикам измерить величину фактической работы, фиксируя показания (в Дж) ЛЕГО®-мультиметра, и за- писать полученные результаты.

        КПД лебедки (%) рассчитывается по формуле:
        Груз массой 0,068 кг весит 0,67 Н, поэтому полезная работа, необходимая для подъ- ема этого груза будет равна:

        Работа = 0,67 Н × 0,6 м Работа = 0,402 Дж

        Силу можно также измерять в ньютонах (Н)

        При выполнении этих исследований очень важно, чтобы учащиеся как можно точнее измеряли величину мощности. Получен- ные данные будут различаться, но боль- шинство учащихся обнаружат, что для подъема груза требуется примерно 2 Дж. Следовательно, КПД лебедки составляет около 20%.

        КПД = (0,402 Дж/2 Дж) × 100
        КПД = 20,1 %

        Это означает, что примерно 80% всей затраченной работы расходуется на пре- одоление сил трения и других сил сопро- тивления.

        Параметры, влияющие на результат

        Предложите учащимся определить и выписать не менее трех параметров, влияющих на эффектив- ность работы лебедки, и объяснить, в чем и как это выражается.

        Факторами, влияющими на эффективность лебедки, могут быть схема системы блоков, размеры блоков и трение в них.
        Made on
        Tilda