Взаимодействие сил при движении механизма

 

1. Организационный момент (5 мин)

Цель факультативного занятия: изучить явление трения. Слайды 2 - 3.

 

2. Актуализация знаний и умений учащихся к изучению новой темы (3‑5 мин)

 

1. Что такое сила?

2. К чему приводит действие силы?

3. Какие силы мы уже знаем?

4. Укажите название прибора для определения силы.

5. Укажите единицы измерения сил.

 

3. Объяснение нового материала (37‑40 мин)

 

На механизм в движении действуют одновременно как полезные так и вредные силы. Рассмотрим, например, силы, действующие на автомобиль, движущийся по горизонтальной поверхности (рис. 5). Все внешние силы можно разделить на две группы:

активные (силы, обеспечивающие движение автомобиля – движущие силы; силы, оказывающие сопротивление движению);

пассивные силы, направленные перпендикулярно к направлению движения (нормальные силы).

К движущим силам относят такие, которые обеспечивают движение механизма. С энергетической точки зрения работа движущих сил положительна.

Силами полезных сопротивлений называют такие, для преодоления которых создана машина. С энергетической точки зрения работа сил полезных сопротивлений отрицательна. К силам вредных сопротивлений относят силы трения в кинематических парах, силы аэродинамических сопротивлений и др. На преодоление этих сил затрачивается дополнительная работа сверх той, которая необходима для преодоления полезного сопротивления

У двигателя внутреннего сгорания движущей силой является давление расширяющегося газа на поршень. Силами сопротивления будут: сила трения в подшипниках и цилиндрах, сопротивление воздуха, сопротивление рабочей машины, которая приводится в движение двигателем, и т.п.

К пассивным относятся, как было сказано ранее, нормальные силы:

нормальные силы реакции дороги;

нормальная составляющая веса автомобиля.

Необходимо научиться определять равнодействующую всех сил, действующих на механизм. Примеры определения равнодействующей силы приведены в презентации “Равнодействующая сила”.

 

Рис. 5. Схема сил, действующих на автомобиль в движении.

 

На этом занятии следует познакомить учащихся с понятием коэффициент трения, формулой для вычисления силы трения и примерами, показывающими роль сил трения и сил давления на примере сельскохозяйственной техники. Слайды 4 - 5.

Напоминаем учащимся причины возникновения трения (Слайды 6 - 8). Указываем, что в практике различают силу трения покоя (Слайд 9) силу трения скольжения (Слайд 10) и силу трения качения (Слайды 11 - 12). Демонстрируем, что сила трения покоя изменяется от нуля до некоторого максимального значения. Для этого легкоподвижную тележку положить на демонстрационном столе вверх колесами. К крючкам тележки и динамометра привязать капроновую нить. Действуя на тележку через динамометр, показываем, что сила возрастает от нуля до некоторого значения, начиная с которого тележка приходит в движение. Обращаем внимание учащихся на то, что сила соответствующая началу скольжения называют максимальной силой трения покоя, при этом указываем на зависимость силы трения покоя от силы нормального давления. Затем вводим понятие коэффициента трения как отношение силы трения к силе нормального давления  Обращаем внимание учащихся на зависимость коэффициента трения от свойств, соприкасающихся поверхностей. Слайд 13. Приводим табличные данные о коэффициенте трения скольжения для некоторых материалов. Слайд 14.

Силы сопротивления, которые машина преодолевает при работе всегда стремятся замедлить движение выходного звена. Они достаточно условно подразделяются на силы полезного сопротивления (при резании, прессовании и т.п.) (Слайды 15 - 17), на преодоление которых затрачивается полезная работа машины и силы вредного сопротивления (потери на трение и т.п.) (Слайды 19 - 23), на преодоление которых затрачивается работа дополнительно, сверх полезной. К вредному сопротивлению относят как силы взаимодействия между звеньями в кинематических парах (трение, удары), так и силы сопротивления среды (аэро- и гидродинамические).

Реактивные силы или реакции возникают в кинематических парах в соответствии с 3-м законом Ньютона. Реакции непосредственно не влияют на характер движения механизма.

Силы трения в кинематических парах зависят от реакций. Силы трения обычно считают вредным сопротивлением, они всегда направлены противоположно движению и рассеивают часть энергии на своё преодоление, отнимая её от полезной работы и преобразуя её в тепло. Это вызывает нежелательный нагрев деталей машин. Однако, кроме того, силы трения эффективно рассеивают энергию колебаний, понижая уровень шума и вибрации машин.

Рассмотрим силы, действующие на трактор при его движении в сцепке с почвоообрабатывающим или посевным агрегатом (рабочей машиной).

В направлении движения можно выделить следующие силы:

1)силу, движущую агрегат;

2)тяговое сопротивление рабочей машины, возникающее в связи с перемещением и выполнением рабочей машиной технологического процесса;

3) сопротивление движению трактора, возникающее в связи с деформацией почвы ходовой частью, наличием трения между движителем и почвой, а также механическими потерями (трение в подшипниках и др.);

4) сопротивление воздушной среды.

Среди всех сил сопротивления, действующих на агрегат, решающее значение имеет сопротивление рабочей машины.

Работа и движение агрегата возможны только при определенном соотношении скорости движения, приведенной массы агрегата и сил, действующих на агрегат в направлении движения.

При установившемся движении с постоянной скоростью движущая сила равна сумме сил сопротивления, которые она преодолевает:

Рассмотрим два предельных случая. На плотных почвах (при достаточном сцеплении) скорость движения лимитируют значения, обусловленные двигателем, а на слабых почвах (при недостаточном сцеплении) – обусловленные сцеплением движителей с почвой. В последнем случае недоиспользуются возможности двигателя и надо увеличивать сцепные свойства трактора (усиливать почвозацепы, увеличивать сцепной вес, включать второй ведущий мост и др.) до уровня, соответствующего движущей силе по двигателю, или переходить на повышенную передачу, при которой сцепление будет достаточным. При работе на почвах, где сцепление достаточно, дополнительные устройства, усиливающие его, необходимо снимать, чтобы не увеличивать затраты на передвижение трактора

Чтобы сберечь и восстановить плодородие почвы, необходимо научиться выращивать продукты питания без ее разрушения и уплотнения.

Почву разрушают и уплотняют колеса и гусеницы сельскохозяйственных машин: тракторов, комбайнов, грузовиков, сеялок, косилок и т. п. Всю эту технику можно представить как систему для обработки почвы и растений, состоящую из двух частей: орудия обработки (орудие) и машины, которые перемещают эти орудия («тягач»).

Главная полезная функция «тягача» - перемещать орудие по полю. Нежелательный эффект, появляющийся при этом - разрушение и уплотнение почвы.

Главная полезная функция орудия - обрабатывать почву, растение Нежелательный эффект, появляющийся при этом - разрушение и уплотнение почвы.

Главная функция системы «тягач» + орудие - обрабатывать почву и растения в соответствии с заданной технологией выращивания сельскохозяйственной культуры.

Для посевного агрегата рост параметров его главной полезной функции выражается в постоянном росте количества секций у сеялки и увеличении ширины захвата - 4, 6, 8, 12, 18 метров. Чтобы «тягач» мог тянуть широкозахватную сеялку, он должен быть мощным и иметь хорошее сцепление с почвой. Но мощный «тягач» больше весит, а значит сильнее разрушает структуру почвы и сильно уплотняет ее. Чтобы этого избежать, он должен быть легким. Конструктор сталкивается с необходимостью преодолеть противоречие - «тягач» должен быть тяжелым и легким.

В первом случае мы сразу сталкиваемся с тем же противоречием: если уменьшить - вес трактора, то давление на почву уменьшится, но также ухудшатся его тягово-сцепные свойства. Поэтому, чтобы сохранить тягово-сцепные свойства на уровне, необходимом для выполнения агротехнических операций, приходится использовать большие грунтозацепы и увеличивать площадь контакта колес с почвой. Это достигается за счет спаривания и страивания передних и задних колес, установки колес с широкопрофильными и арочными шинами, снижения давления воздуха в шинах.

Применени спаренных шин снижает удельное давление на почву, что в 1,5-2 раза уменьшает степень уплотнения по следу трактора, повышает проходимость агрегатов при повышенной влажности и увеличивает их тяговое усилие. Это особенно важно в ранние сроки проведения весенне-полевых работ при высоком содержании почвенной влаги.

Уменьшить давление колеса на почву можно, увеличив пятно контакта и равномерно распределив давление. Этого можно достичь, снизив давление в колесе.

Современные тракторы оснащаются литыми резинотросовыми гусеницами с автоматическим натяжением. Они обеспечивают высокую тягу при работе на грязи и рыхлой почве, а плотный контакт с поверхностью обеспечивает устойчивость трактора.

Чтобы еще уменьшить давление на почву и сделать его более равномерным, было предложено объединить хорошее поглощение вибрации пневматическим колесом с большой площадью контакта у гусеницы. Получилась резиновая пневматическая гусеница.

Примеры использования сил трения и сопротивления для выполнения технологических процессов.

1. Очистку семян культурных растений от семян сорняков осуществляют с помощью полотняной горки, схема которой показана на рисунке 6. Каким образом осуществляется сортировка семян на полотняной горке?

В основе очистки семян с помощью полотняной горки лежит различие коэффициента трения семян различных растений. Основная часть горки это движущееся вверх полотно, расположенное под углом к горизонту. Семена, имеющие меньший коэффициент трения, скатываются вниз по полотняной горке и попадают в ящик (1), а семена, у которых коэффициент трения больше, удерживаются на полотне горки и поднимаются вверх и попадают в ящик (2).

2. Рассмотрим льнотеребильную машину. Как выдергиваются стебли льна из земли?

Принцип действия льнотеребильной машины основан на действии силы трения. Стебли льна, попадая между движущимися навстречу ремнями (рисунок 7), плотно прижатыми друг к другу, зажимаются ими и выдергиваются из земли.

 

3. Сколько корпусов должен содержать плуг для вспашки почвы с удельным сопротивлением при глубине вспашки 30 см равным 9 Н/см² трактором с тяговым усилием на крюке 25 кН, если площадь одного корпуса 667 см²?  

Решение. Сила сопротивления одного корпуса плуга определяется как произведение удельного сопротивления почвы при заданной глубине вспашки на площадь корпуса:

Количество корпусов определяем как отношение тягового усилия к силе сопротивления одного корпуса плуга: .

 

Фильмы, рекомендованные для просмотра:

https://youtu.be/72VDQFgX1Eo

 

4. Практическая работа (37‑40 мин)

 

Цель: графическое определение направления результирующих сил, действующих на механизм в движении.

Порядок выполнения работы: см. презентацию «Равнодействующая сила»

 

5. Подведение итогов факультативного занятия (5 мин)

 

1. Для чего отбивают косу?

2. Для чего точат сегменты ножа жатвенных машин?

4. Для чего на сегментах ножа сенокосилки и режущего аппарата жатки комбайна сделана насечка?

5. Почему острой железной лопатой копать землю легче, чем тупой?

6. Для чего на ведущих колесах самоходного комбайна и колесных тракторов поставлены шины с глубоким рисунком протектора?

7. Для чего смазывают маслом трущиеся детали сельскохозяйственных машин?

9. Почему при передачи больших усилий от двигателя вращающимся деталям (узлам) сельскохозяйственных машин используют не плоский, а клиновидный ремень? 

 

6. Рефлексия (3‑5 мин)

 

1. Знаю ли я виды силы трения

2. Знаю ли я, куда направлена сила трения?

3. Могу ли я определить вид силы трения?

4. Умею ли я измерять силу трения?

5. Смогу ли я определить направление результирующей силы, действующей на механизм в движении?