Интегрированный учебный проект по практике. Тема «Физика в конструкции автомобилей»

СОГБПОУ «Ярцевский индустриальный техникум»

Интегрированный учебный проект

Тема «Физика в конструкции  автомобилей»

Актуальность темы проекта

В современном мире автомобиль имеет огромное значение. Это уже действительно не роскошь, а средство передвижения. Кроме того, он служит и для перевозки грузов, и для занятий автоспортом, является прекрасным транспортом для путешествий; управление автомобилем в некотором плане снимает стресс, а скорость даёт ощущение свободы. Ежегодно мировой автопарк обновляется, ведущие концерны - автопроизводители предлагают десятки новых моделей, поражающих воображение дизайнерскими и конструкционными находками. Итак, автомобиль-это комфорт, красота, сила, скорость, мощный двигатель, и…престиж в обществе.

Я родился в городе, с детства видел множество различных моделей автотранспорта, мой отец - автолюбитель. Всё это способствовало развитию моего познавательного интереса к технике. Когда преподаватель спец.дисциплин предложил мне заняться разработкой творческого проекта, то я долго не колебался при выборе темы: конечно же физика в конструкции автомобиля! Мне показалась данная тема актуальной, потому что у меня есть познавательный интерес к истории автомобилестроения, внутреннему устройству автомобиля, а также стремление понять, насколько востребованы в технике теоретические знания, преподаваемые нам в школе. Я обучающийся, а не инженер - конструктор, но выбрав такую тему проекта, надеялся получить немало новой информации. Возможно, моя будущая профессия будет связана с наукой и техникой, и работа над данным проектом дала мне возможность получить немало новой информации, которая позволяет стать более образованным человеком. А когда однажды я стану владельцем автомобиля, полученные знания поспособствуют, чтоб я стал умелым водителем и механиком.

Возможно, моя исследовательская работа не имеет такого уж большого научного или практического  значения, однако она может способствовать развитию интереса к физике и технике, если, конечно, в будущем, преподаватель сочтёт полезным использование материалов моего проекта в образовательном процессе. Кроме того, для меня это первый опыт работы над проектом, и мне было интересно проверить себя, на что я способен, как у меня получится?

Новизна работы состоит в том, что в ней предпринята попытка взглянуть на автомобиль не как на транспортное средство, а именно с научно-технической точки зрения. 

Объект исследования - современный автомобиль.

Предмет исследования - конструкция автомобиля как техническое воплощение физических явлений.

Цели проекта:

-узнать, что такое автомобиль, совершив экскурс в историю его создания;
-предположить, как, возможно, будут выглядеть автомобили в обозримом будущем;
-и, наконец, самое главное: выяснить, как в конструкции автомобиля использованы физические явления и законы

Гипотеза: я предположил, что в конструкции автомобиля нашли широкое применение физические явления и законы. Так ли это? Постарался разобраться.

Краткая историческая справка по теме проекта:

Кто и когда создал автомобиль?

В 1768 году француз Кюньо, собственно,это ещё был не вполне автомобиль, да и слова  такого не существовало, так…самодвижущаяся «тележка»на паровом двигателе, т.к. даже идеи двигателя внутреннего сгорания тогда ещё и близко не было

В 1885г немецкий инженер Карл Бенц создал первый автомобиль, оснащённый бензиновым ДВС, изобретённым соотечественником Бенца инженером Николасом фон Отто

В конструкции современных автомобилей используются максимально лёгкие,но в то же время прочные/а в двигателе-жаропрочные сплавы/,а ещё различные виды пластика, керамика…В отделке салона присутствуют кожа, ткани, иногда даже древесина!

Общее устройство 
современного автомобиля/представлено в виде схемы расположения основных узлов ,систем и механизмов/:

Как может измениться автомобиль в будущем?/Слайд 11/

-может, станет возможным и ездить по дороге и летать в небесах… /Слайд 12/

-или плавать под водой, /Слайд 13/

-а может  российский автомобиль вернётся 
к «классическому» дизайну, кто знает?! /Слайд 14/

Конструкционные связи устройства автомобиля с физическими явлениями и законами.

Далее, серьёзно подумав, как же  конструктивные особенности автомобиля связаны с физикой, начал более глубокое исследование по данным направлениям. Ввиду того, что связь с физикой можно проследить буквально в каждой системе автомобиля, в каждом конструкторском и дизайнерском решении, рассмотреть абсолютно всё мне было невозможно, поэтому некоторые моменты как то физические процессы в работе ДВС, особенности в конструкции карбюраторного, инжекторного и дизельного ДВС, а также внешние аэродинамические особенности я не исследовал.

Я выбрал такие направления изучения связи физики с конструкцией автомобиля.

• Силы, действующие на движущийся автомобиль.

• Инерция. Масса – мера инертности.

• Вращение твёрдого тела.

• Центр тяжести.

• Термодинамика.

Силы, действующие на движущийся автомобиль.

Никакая электроника не в состоянии изменить законы физики, она помогает лишь до   определенных пределов.

Необходимо знать основы физики движения. Они помогают лучше понять процесс вождения и причины возникновения аварийных ситуаций при управлении автомобилем.

Выезжая на дорогу, совсем не надо быть ученым-физиком, но разбираться в основах вождения и аэродинамики должен каждый человек, решивший сесть за руль автомобиля.

Всем нам хорошо известна карусель, где сиденья подвешены на цепях. При вращении эти сиденья стремятся уйти на своей гибкой подвеске по направлению от центра вращения, образуя угол вплоть до девяноста градусов по отношению к вертикали. Заставляет их это делать центробежная сила. Точно так же и на автомобиль, движущийся по окружности, воздействует центробежная сила, стремящаяся вытолкнуть его наружу поворота. При этом следует учитывать, что центробежная сила тем больше, чем больше масса машины и ее скорость. Но здесь есть одно “но”. Увеличивая скорость движения по окружности или в повороте в два раза, вы увеличиваете центробежную силу в четыре раза. Это надо знать и снижать скорость, входя в поворот. 

Если силовое замыкание между колесами машины и дорогой недостаточно, то автомобиль как раз благодаря воздействию на него центробежной силы в повороте может уйти в занос (неуправляемое скольжение передних или задних колес в зависимости от привода автомобиля — переднего или заднего). Чревато заносом в повороте и резкое, неграмотное управление тормозными механизмами, газом и рулем. Это надо учитывать перед вхождением в поворот и ни в коем случае не тормозить резко на дуге, не прибавлять резко газ и не уменьшать по возможности радиус поворота. Все это может делать, да и то с оговорками, только специально подготовленный водитель, прошедший курс экстремального вождения и знающий правила прохождения поворотов в управляемом заносе, или автогонщик, но ни в коем случае не новичок за рулем. Поэтому в каждой поездке водитель просто обязан “прочитывать” дорогу, то есть учитывать силовое замыкание (сухо, снег, лед, вода и так далее) и грамотно выбирать скорость в поворотах или при перестроениях.

Силовое замыкание.

Под силовым замыканием между автомобилем и дорогой понимается трение сцепления между рабочей поверхностью шины и поверхностью дорожного полотна. Чем оно больше, тем лучше для безопасного управления автомобилем. Зависит оно от силы, с которой колесо прижимается к дорожному полотну, и шероховатости (или скользкости) самого дорожного полотна, определяющих коэффициент трения.

Инерция. Инерция автомобиля вокруг вертикальной оси.

Инерция-явление сохранения скорости тела при отсутствии действия на него со стороны других тел.

Момент инерции тела – это мера инертности этого тела во вращательном движении, по аналогии с массой в поступательном движении. Момент инерции является очень важной массовой характеристикой автомобиля, поэтому его определяют ещё на этапе компоновки, назначая габариты, положение и массы узлов и агрегатов.

 Помните второй закон Ньютона? Ускорение= Сила/Масса. Поэтому для достижения большего ускорения можно либо увеличивать силу, либо снижать массу. Вот и во вращательном движении также: Угловое ускорение=Момент сил/Момент инерции.

Что же такое момент инерции автомобиля вокруг вертикальной оси, проходящей через центр масс? Если мысленно разбить автомобиль на элементарные массы, то сумма произведений этих элементарных масс на квадрат расстояния от них до вертикальной оси и даст нам момент инерции относительно этой оси. 

Представьте себе автомобиль, которому надо войти в вираж. Для этого водителю необходимо совершить поворот автомобиля относительно центра поворота, находящегося обычно приблизительно на продолжении задней оси.

Чем большей линейной скорости прохождения виража хочет добиться водитель, тем быстрее ему нужно направлять автомобиль в поворот, т.е. увеличивать угловое ускорение автомобиля.

Вращательным движением называют такое движение, при котором все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной прямой - оси вращения.

Вращательное движение в автомобиле:

-Колеса автомобиля, кроме того, что они вместе со всем автомобилем движутся, вращаются вокруг одной оси;

-Коленвал;

-Руль. 

Центр тяжести.

Для расчета весовых характеристик автомобиля в расчет обычно принимается масса взрослого человека (около 70кг), а для детей 35 кг. Центр массы взрослого человека принимается на обоснованном расстоянии от нижней крайней точки спинки сиденья и составляет 200 мм.

Проектирование автомобиля осуществляется с использованием следующих параметров: масса отдельных частей автомобиля, сухая масса автомобиля, реальные массы агрегатов. Сила тяжести определяется в Ньютонах. Для этого необходимо получить произведение массы автомобиля, умноженной на ускорение свободного падения 9,8м/с2.

Термодинамика.

Термодинамика – наука об основных способах преобразования внутренней энергии в механическую работу.

Справедлив постулат Клаузиуса и для автомобиля: «процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, то есть теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в системе».

Постулат Клаузиуса: «процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, то есть теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в системе».

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) переводят химическую энергию топлива в тепловую энергию, а затем с помощью кривошипно-шатунного механизма в механическую работу. При этом 1 литр бензина при сгорании выделяет около 9,5 кВт*ч тепловой энергии.

У современного ДВС К.П.Д достаточно низкий – до 30%, поэтому основная (70%) часть тепловой энергии, которая не была преобразована в механическую, должна быть отведена от ДВС. Если лишнюю энергию не отводить от двигателя, то он перегреется, что чревато выходом его из строя; прежде всего, заклиниванием поршней в цилиндрах.

Для регулирования скорости отвода «лишней» тепловой энергии нужен элемент системы охлаждения прибор термостат. Но при этом необходимо помнить, что это не единственный способ отвода избытка тепловой энергии.Он происходит тремя путями: 1) через конвекцию и тепловое излучение, 2) через систему выпуска выхлопных газов и 3) через систему охлаждения двигателя, где как раз и нужен термостат для регулирования объема охлаждающей жидкости. 

Итак, я узнал, кто создатель первого авто-, как в общих чертах устроен современный автомобиль, предположил возможное совершенствование дизайна автомобиля в будущем, и, самое главное, изучил на доступном уровне физические принципы, заложенные в конструкцию любого автомобиля.