Публикации сообщества

Максим Пхидо • 19 января 2020

По следам одного школьного проекта

Первого школьного дочкиного проекта мы с ней ждали с  радостным нетерпением.  И тему подобрали интересную: "Кукольный театр Руби Голдберга в образовании".  Решили скрестить ужа  и ежа, лирику и физику, а точнее кукольный театр  и машину Голдберга (МаГу). Уже и материал собирали, радостно потирая лапками, как вдруг что-то пошло не так. 

 

машина руби голдберга

 

Тот школьный проект они должны были делать вдвоем с одноклассницей. Вроде все было согласовано, но на стадии регистрации проекта вмешался папа одноклассницы и в качестве темы вдруг выбрал "Способы предотвращения разрушения зданий под воздействием ветра". Этим собственно его участие в проекте началось и закончилось. Другая радость заключалась в том, что одноклассница тоже практически самоустранилась, заявив, что в физике она ничего не понимает, поэтому делайте, что хотите, а ее не забудьте позвать на защиту. 

Для меня до сих пор загадка, как мы тогда дошли до жизни такой, но делать было нечего, сроки уже поджимали. Пришлось тихо выругаться, сплюнуть ядовитую слюну, скрипнуть зубами и взяться за проект. 

Дочь сразу предложила поучиться хорошему у природы и рассмотреть как ветру противостоят деревья. От этого мы  и отталкивались в своей работе. А дальше все как обычно: опись, протокол, все дела. Приведу здесь выдержки из черновика проекта. 

 

Цель: 
В нашем проекте мы бы хотели рассмотреть способы защиты зданий и высоких построек от экстремально сильного порывистого ветра. Разрешение данной ситуации неимоверно важно, ведь длительное воздействие таких ветров влечет за собой разрушение конструкции. С таковым явлением мы можем столкнуться в больших городах, часто это касается одиночных небоскребов, возвышающихся над городом на высотах, где часто бывают сильные ветра. 

 

Постановка задачи:
1. Выявление природы самого ветра и причин разрушения построек под его воздействием.
2. Нахождения способов защиты здания от воздействия ветра.
3. Создание макета для наглядной демонстрации и подтверждения работы нашего решения.

 

Гипотеза:
Мы предполагаем, что мы можем трансформировать разрушительную энергию воздействия колебаний на здание,  вызванных в том числе ветровыми нагрузками, в полезную энергию, которую можно в дальнейшем использовать для обслуживания инженерных систем сооружения.

 

Природа ветра.
Чтобы понять, как защитить постройки от разрушения под действием ветра, нужно понять, в чем природа ветра и что именно происходит во время воздействия ветра на здание.
Итак, что же такое ветер? Ветер – направленный поток воздуха. Воздух имеет массу, а скорость движения его потока мы всегда можем измерить, из чего следует, что ветер несет в себе кинетическую энергию, которой он воздействует на препятствия, встречающиеся на его пути. В чем же особенность воздействия ветра, а конкретнее воздействие ветра на здание? Ветер дует на здание в одном направлении, соответственно его воздействие неравномерно со всех сторон здания. Также важно отметить, что воздействие ветра переменно как по направлению, так и по скорости. Поток ветра редко бывает статичным, а в местах с экстремально сильными ветрами, которые мы и рассматриваем в нашем проекте, ветер представляет собой направленный быстрый поток с сильными и частыми порывами. 

 

Как обычно справляются с ветровыми нагрузками?

Со статичными нагрузками на здание принято справляться за счет увеличения прочности конструкции, из-за чего увеличивается масса объекта (на это влияют плотность и количество материала, толщина стен и несущих конструкций). Но если объект большой, в частности, по высоте, то конструкция может не выдержать собственной массы и рухнуть, так как его масса увеличивается в разы, из-за того, что увеличиваются площади стен. Таким образом, нам важно понизить массу, сохранив при этом прочность конструкции.

 

В чем природа разрушительного воздействия ветра?
Разобрав природу ветра, стоит понять, из-за чего происходят разрушения при его воздействии. При взаимодействии ветра с препятствием, часть энергии ветра рассеивается (из-за столкновения потока воздуха со зданием и впоследствии нагрева воздуха), часть энергии идет на изменение направления движения потока воздуха (завихрения и огибающие потоки), и часть накапливается в постройке.


Нас в нашем проекте больше всего интересует именно та часть энергии, которая накапливается в постройке, ведь эта энергия впоследствии идет на разрушение здания. В качестве примера мы могли бы привести эксперимент американского физика сербского происхождения Николы Теслы по разрушению зданий при помощи вибраций, но, к сожалению, строгих документальных свидетельств его эксперимента нет. Однако есть более достоверные факты, подтверждающие разрушительные последствия накопления энергии в постройках.

Наиболее известный и драматичный случай произошел в 1940 году в США в штате Вашингтон. Там произошло обрушение центрального пролета подвесного моста Такома-Нэрроуз (Такомский мост). По счастливым обстоятельствам, процесс обрушения был запечатлен на пленке, что помогло в дальнейшем провести исследование причин обрушения. На сохранившейся видеозаписи мы можем видеть, как мост постепенно раскачивается из стороны в сторону, после чего происходит обрушение конструкции. Эта авария оставила значительный след в истории науки и техники, после нее были пересмотрены и усовершенствованы подходы к проектированию всех большепролетных мостов мира и проведены новые исследования в области аэродинамики построек.

 

 

 

Что мы можем предложить для решения проблемы? 
Итак, как же нам защитить постройку от разрушения? Чаще всего первая мысль, которая у нас возникает при упоминании слова «защитить» - спрятать. Мы могли бы перенаправить поток воздуха, чтобы его воздействие на постройку было равномерным со всех сторон или вовсе отсутствовало. Но для этого нужно знать точное направление ветра в данной местности. Обычно, в районах с экстремально сильными ветрами, ветер дует в определенном направлении и это можно предусмотреть и просчитать, но мы выбрали другой способ защиты здания.


Как мы уже говорили, разрушительная природа ветра в накоплении части колебательной энергии от его воздействия в здании. Ветер приводит к вибрациям в здании и последующему разрушению, соответственно наша задача – это нейтрализовать вибрацию и вывести энергию в другое русло, ведь мы не можем ее просто уничтожить. Логично было бы использовать ее для нужд здания, например, энергоснабжения. Тогда встает вопрос, как перевести энергию ветра в электрическую, которую намного проще приспособить для использования.


В этом нам может помочь установка маятника с основанием в самой высокой точке здания, так как там самая большая амплитуда колебаний конструкции. Колебания маятника возьмут на себя часть энергии от воздействия ветра, помимо этого, у нас получается система двойного маятника, которая постепенно гасит энергию, а если мы еще и будем преобразовывать механические колебания маятника в электрическую энергию, то здание почти полностью перестанет накапливать энергию ветра.


Но помимо накопления энергии внутри здания, ветер способен наносить внешний ущерб конструкции, поэтому также важно разбить поток ветра до того, как он встретится с конструкцией.


Итак, мы решили обратиться к природным аналогам для решения этой проблемы, и таким аналогом оказалось дерево. Лучше всего это заметно на старых деревьях таких пород, как плакучая ива или плакучая береза. Когда начинает дуть ветер, то сначала колышутся только листья. С ростом силы ветра начинают колыхаться тоненькие ветви, из-за которых деревья и носят свое название плакучих. Основные, толстые ветви и сам ствол практически неподвижны даже при очень сильном ветре. Так происходит от того, что большая часть энергии уходит на колыхание листьев. Вместо раскачивания ствола дерева, колышутся листья, чье колыхание предусмотрено природой и не наносит вреда самому дереву.


Говоря о листьях и потоках воздуха нельзя не вспомнить об эффекте Бернулли. Закон Бернулли заключается в том, что там, где скорость движения потока выше, давление ниже. Соответственно наши листья будут двигаться в область меньшего давления, из области большего, а именно в область с повышенной скоростью ветра.
Вследствие этих рассуждений мы пришли к интересному и необычному решению – если покрыть здание «листьями», которые смогут свободно двигаться под воздействием ветра, не нанося при этом вред зданию, то большинство энергии ветра будет израсходовано до встречи ветра с постройкой. Помимо этого, мы можем трансформировать механическую колебательную энергию листьев в электрическую энергию и направить на энергоснабжение здания.


Построение макета и проведение экспериментов с его участием.

Материалы для построения макета.

1. Рейки, которые являются несущими конструкции.

2. Картон, из которого сделана крыша.

3. Основание из фанеры, которое мы утяжелили бутылками с водой в избежание падения конструкции во время испытаний.

4. Маятник, сделанный из спицы и магнита.

5. «Листики» из бумаги, крепление которых происходит с помощью нанизанных на шпажки трубочек.

 

Особенности строения макета. 
Перед тем, как показать эксперименты, которые мы для наглядности провели на нашем макете, следует рассказать об особенностях самого макета и почему мы соорудили его именно так. Макет достаточно высокий (около 1,2 м) и узкий, похожий на небоскреб. Это сделано для того, чтобы мы могли увидеть колебания, так как на низком широком здании они менее заметны. Также следует обратить внимание на рейки и их расположение. Плоские, более широкие стороны, расположены по ветру, в то время как узкой стороной они находятся перпендикулярно ветру. Это нужно для того, чтобы колебания макета происходили в одной плоскости, для наглядности, ведь нам намного проще согнуть рейку по направлению широкой стороны, чем узкой.
Листья прикреплены к зданию с помощью шпажек. Чтобы они могли спокойно вращаться, мы прикрепили листья сначала к трубочкам от коктейлей, а потом уже нанизали их на шпажки.

 

 

 

 

 

 

 

 

Благодарю всех, добравшихся до окончания статьи, а в заключение хочу бросить в мейкерско-педагогический народ одну агитку. По-моему раздел "Колебания и волны" в школьной программе незаслуженно обделен вниманием.

Даешь Колебания и Волны!))

____________________________________________________________________________________________

Другие статьи автора:

1. В хоккей играют настоящие мужчины.

2. Ай  хэв э дрим.

3. Волшебная лампа мейкера Ала-Джина. 

4. Вау, шарик! Вау, цезарь!

5. Приходите тараканы, я вас чаем угощу.

6. Волноватор на Новаторе. 

7. Дао Робин Гуда. 

 

Кол-во комментариев: (8)

Михаил Семионенков
Листики - это круто. Не удивлюсь, если второй папа диссертацию защитит или патент оформит. Или, на худой конец, отчитается о квартальной работе своего отдела. А какой класс?
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы оставлять комментарии
  • Максим Пхидо
    Тогда десятый класс был. Папа самоустранился от проекта. От слова совсем. Я был в шоке, не представлял даже как такое возможно. А когда злость поутихла, вспомнил, что когда-то давно хотел разобраться, как гасят колебания в современных небоскребах. Начали с дочкой фантазировать на заданную тему. Да и связанные маятники я очень люблю)
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы оставлять комментарии
  • Лора Кравченко
    Максим, отличная тема для исследования и замечательно реализованный проект! Хотя, признаюсь Вам честно, развития темы кукольного театра Руба Голдберга буду ждать с огромным интересом :) Скажите, а как вы с дочкой определяли, насколько уменьшились колебания конструкции? Как замеры делали?
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы оставлять комментарии
  • Максим Пхидо
    Лора, замеры как обычно - на глазок) Все экспериментальные данные носили качественный, демонстрационный характер. На третьем сверху ролике про наш "небоскреб" очень хорошо заметно как происходит взаимодействие между маятником-небоскребом и связанным с ним вторым маятником под крышей. При соответствующей настройке в резонанс путем подбора длины второго маятника за счет перемещения грузика-магнита по металлическому стержню можно добиться такого состояния системы, когда колебания небоскреба практически останавливаются, а амплитуда колебаний второго маятника в этот момент максимальна. Таким образом происходит обмен энергией колебаний между этими двумя системами. Поскольку отбирать энергию колебаний от основной строительной конструкции технически практически невозможно, то для этой цели как раз и служит система связанная со вторым маятником. Сделать это возможно при помощи электро-магнитного преобразователя, пример которого фонарик без батареек показан на последнем ролике. Задачу создать конкретное техническое устройство для электромагнитного демпфирования колебаний мы не ставили, посчитали, что для школьного проекта это будет слишком сложно. Просто наметили один из возможных путей решения проблемы.
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы оставлять комментарии
  • Лора Кравченко
    А по поводу колебаний и волн в курсе физики я бы не согласилась. И времени на них выделено достаточно, и тему можно развивать в мини проектах. Я со своими делаю проекта "Флейта Пана". Физика в трубе там очень сложная, можно говорить о высоте тона. громкости, стоячих волнах. Описывала здесь: https://novator.team/post/937
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы оставлять комментарии
  • Максим Пхидо
    Я хотел сказать, что маловато качественной наглядной механики, в частности связанных маятников. И недостаточно, на мой взгляд, демонстрашек связывающих между собой различные колебательные явления - механику с акустикой, например, и т.п.
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы оставлять комментарии
  • Людмила Рождественская
    Просто вау! Жаль, не у каждой ученицы такой папа! Не говоря уже о школьных учителях, которые бы смогли развернуть такой проект...
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы оставлять комментарии