Исследование отдельных физических свойств песка

Городской день науки по предметам естественно-математического и гуманитарного цикла Доклад на тему: «Замки на песке» (Исследование отдельных физических свойств песка) Авторы: Шакирова Анна, Смирнова Екатерина – ученицы 8 «А» класса МОУ лицея №41. Руководитель: Леонтьева Н.В., учитель физики МОУ лицея №41 Кострома, 2009 Аннотация Актуальность и практическая значимость выбранной темы связана с тем, что 1/8 поверхности суши покрыта песком. Свойства сыпучего вещества многообразны и до конца не изучены (многие из свойств непредсказуемы). Например, на сегодняшний день не существует единой теории объясняющей механизм превращения обыкновенного песка в зыбучий. Целью данной работы является изучение некоторых физических свойств обычного песка (определение насыпной плотности сухого песка, плотности смеси (песок и вода); изучение текучести сухого песка и мокрого; сравнение производимого давления воды и песка на дно и стенки сосуда; определение оптимальной пропорции песка и воды для построения замка). Авторами работы смоделированы природные явления ( эффект землетрясения и возникновение зыбучего песка) и предпринята попытка объяснить данные явления с точки зрения физики. Для проведения исследований наряду с лабораторным оборудованием, имеющимся в кабинете физики, были использованы авторские устройства. Авторами работы были использованы статьи из журнала «Наука и жизнь» и другие материалы, содержащие экспериментальные данные и современные теории по выбранной теме. Как знать: быть может, создание миров определяется падающими песчинками? Виктор Гюго. "Отверженные". Вступление В повседневной жизни мы постоянно встречаемся с разнообразными сыпучими материалами - от мельчайшей пудры и муки до песка и крупного гравия. Они привычны и обыденны, и мало кто задумывается, какими удивительными свойствами обладают все эти разнообразные порошки. 7 июня 1692 года прибрежный город Порт-Ройяль на острове Ямайка стал жертвой землетрясения, в результате которого большая часть города исчезла в морской пучине. Долгое время считалось, что город просто "сполз" в море под действием подземных толчков. Однако последние исследования показали, что это не так. Оказывается, Порт-Ройяль был "проглочен" многометровыми песчаными отложениями, на которых он покоился. Менее чем за минуту песок стал текучим, и город, потерявший опору, начал "тонуть". Спустя десять минут, когда землетрясение прекратилось, песок снова "затвердел", похоронив в своих недрах две трети города и более двух тысяч жителей. Современники этих событий восприняли катастрофу как проявление гнева Господня, обрушившегося на нечестивый город. Ведь Порт-Ройяль - город пиратов и крупнейший рынок рабов - давно пользовался дурной славой и в Старом, и в Новом Свете. Почему песок стал текучим? Какова вероятность того, что трагедия вновь может повториться? Что такое зыбучие пески? Достоверен ли факт, часто используемый в приключенческих фильмах, что зыбучий песок полностью поглощает человека или животное, случайно попавшее в страшное место? Так ли опасно строить замки на песке? Возможно ли смоделировать землетрясение в лабораторных условиях и наблюдать течение песка? Если задуматься, само разнообразие свойств песка достойно удивления. Сухой, он текуч, подобно воде. Однако в отличие от жидкости без труда выдержит вес человека, прогуливающегося вдоль берега. А небольшого количества влаги достаточно, чтобы превратить песок в прекрасный строительный материал. Все в детстве мастерят кулички из песка, а повзрослев, некоторые возводят удивительные песчаные замки на морском побережье, фантастические по красоте, но такие недолговечные. Интересно, в какой пропорции следует взять песок и воду, чтобы песок хорошо лепился и при этом замок сохранял длительное время первоначальный вид? Какова плотность получившейся смеси? Даже в состоянии покоя песок ведет себя самым странным образом. Кажется очевидным, что, оказавшись погребенным под 30-метровой кучей песка, какое либо физическое тело испытает гораздо большее давление, чем под 3-метровой. Однако это не так. Значит, несмотря на сходство песка с водой, распределение давления внутри сыпучего вещества иное?! Песня песков, песня сирен, заманивающих путешественников на верную гибель в безводной пустыне, колокольный звон монастырей, погребенных в пучине песков... Так описывает свои впечатления английский исследователь Р. А. Бэгноулд - автор первой книги о поющих песках, вышедшей в свет в 1954 году. Кочевники, которым приходилось слышать эти таинственные звуки, считали их голосами призраков и демонов, обитающих в песчаных дюнах. И хотя сегодня известно, что акустические колебания возникают в результате движения слоев песка, полностью объяснить это явление так до сих пор и не удалось. А вот ещё удивительный факт, в Японском городе Нима существует музей песка. В шести стеклянных пирамидах собраны образцы песка со всего мира, а в самой большой из них высотой 21 метр и основанием 17 на 17 метров находятся самые большие в мире песочные часы, точнее - годовой песочный календарь! Ни для кого не секрет, что оконное стекло в наших домах, да и в замках производят из песка. Все эти удивительные факты не оставили нас равнодушными и подвигли на исследования некоторых физических свойств песка. Основная часть Замок из песка. Песчаный замок или просто куличик, сооруженный на пляже, наглядно демонстрирует огромное различие свойств сухого и влажного песка. Влажные песчинки легко слипаются, демонстрируя резкий рост сил сцепления, которые в сухом песке определяются только неровностями поверхности, а потому невелики. Слипаться их заставляют силы поверхностного натяжения пленок воды, окружающих каждую песчинку. Вода, смачивая стенки тонкой трубки, может "взобраться" по ним вверх сантиметра на полтора, увлекаемая силами поверхностного натяжения. Чем меньше диаметр трубки, тем выше поднимется столбик воды, тем больше сила, которая удерживает его вес. Когда соприкасаются две влажные песчинки, эти же силы поверхностного натяжения притягивают их друг к другу и довольно прочно "склеивают". Удивляет, однако, сколь малого количества жидкости для этого нужно. Опыт 1. Определение соотношения количества воды и песка для построения замка. Цель: установить опытным путём оптимальную пропорцию песка и воды для построения замка. Приборы и материалы: лабораторные весы, сосуд с сухим песком, сосуд с водой, набор гирь, Выполнение работы: существует несколько видов песка: карьерный, речной, намывной, сеяный, кварцевый формованный. В исследованиях мы использовали песок – карьерный средней зернистости (определили по внешнему виду: имеются мелкие камешки, содержатся глинистые частицы; см. приложение). С помощью лабораторных весов, определили массу песка (200 г), затем добавляли по 10 г воды и фиксировали результаты наблюдений (см. приложение, таб.1) Вывод: для возведения прочного замка из песка достаточно иметь песок и воду в пропорции 6,7:1. Получившуюся смесь поместили в стеклянный сосуд и оставили до полного испарения жидкости. При надавливании рукой, застывший песок не менял форму. Затвердевший песок сохранял форму даже под действием нашего веса! Удивительной прочности сооружений из песка (земли), существует реальное подтверждение. Великая Китайская стена – древнее оборонительное сооружение – является символом Китая. Она строилась на протяжении многих веков с 5 в. до н.э. вплоть до 17в. И тянется от побережья Желтого моря до пустынь Северо-западного Китая. За последнее время стена протяженностью в 6,4 тыс. км значительно сократилась в размерах – например, в провинции Ганьсу "испарился" участок почти в 60 км, возведенный в эпоху правления династии Ханьшуй. Директор местного краеведческого музея Чжоу Шенгруи объясняет это тем, что секция Великой Китайской стены, проходящая через Ганьсу, была сделана из грязи, глины и спрессованной земли, поэтому она и подвержена эрозии больше других участков. Даже если предположить, что эта часть стены была возведена в конце 17в. возраст этого сооружения почтенный – 4 века. Опыт 2. Определение насыпной плотности сухого песка и плотности смеси (песка и воды). Цель: вычислить насыпную плотность сухого песка и смеси (состоящей из воды и песка), сравнить полученные результаты с табличными данными справочника по физике. Приборы и материалы: лабораторные весы, измерительный цилиндр, лабораторные стаканы, набор гирь. Выполнение работы: способ определения плотности жидкости нам известен из курса физики 7 класса, поэтому подробно описывать ход работы не будем. Масса песка и лабораторного стакана – 0,237 кг; масса стакана - 0,037 кг, масса песка равна 0,2 кг; объём песка - 0,000124 м³. Вычислим по формуле ρ = плотность сухого песка: ρ = 1613 кг/м³. Для приготовления смеси достаточно взять 200г сухого песка и 5 порции воды по 10г. В песок добавим 10 г воды (песок находится в мензурке) и определим объём смеси (примечание: следует осторожно наливать воду, т.к. поверхность смеси может получиться очень неровной и тогда погрешность измерений будет велика), затем ещё добавим 10 г воды и вновь фиксируем объём смеси и т. д. Результаты вычислений представлены в приложении (таб.2) Вычисление погрешностей измерений: (Мы воспользовались рекомендациями по вычислению погрешностей из книги «Практикум по физике в средней школе» под редакцией В.А. Бурова, Ю.И. Дика). Процесс любого измерения только тогда считается полностью завершённым, когда указаны абсолютная и относительная погрешности результата измерений. Модуль абсолютной погрешности измерения позволяет указать интервал, внутри которого находится истинное значение измеряемой величины. Качество измерения характеризует относительная погрешность ε = которая показывает, во сколько раз модуль абсолютной погрешности |Δ| меньше измеряемой величины. Ц. д. (измерительного цилиндра)= =1 (см³/ дел.). Погрешность отсчёта: = 0,5 см³, εv == 0,004, m = 100г+100г+20г+10г+5г+2г = 237г = 0,237кг. Погрешность весов равна Δвесов = 100мг+100мг+50мг+50мг=300мг. Пользуясь таблицей представленной в книге «Практикум по физике в средней школе» под редакцией В.А. Бурова, Ю.И. Дика, определим погрешность всех гирь: Δгирь = 40 мг +40 мг+ 20 мг+12 мг+8 мг+ 6 мг=126 мг. Масса наименьшей гири равна 2 г,- следовательно, погрешность подбора гирь равна Δподб. гирь=2г/2=1г. Общая погрешность равна Δ = Δвесов+ Δгирь+ Δподб. гирь = 300 мг+ 126 мг+1г = 1г426 мг. Итак, погрешность измерения массы равна Δm=1г426мг. По результатам взвешивания мы можем утверждать, что истинное значение массы сухого песка в лабораторном стакане находится в интервале 0,237000 ± 0,001426 кг, εm= . Для расчёта погрешности мы воспользовались формулой: ερ= εm + εv = +0,004 = 0,01 (1%), тогда Δρ = ρ · ερ =1613·0,01 =16,13 кг/м³. Значение измеряемой величины:ρ=1613± Вывод: В справочнике по физике А.Е. Еноховича в таблице «Насыпная плотность некоторых твёрдых тел» нашли значение насыпной плотности сухого песка: 1200-1650 кг/м3. Результат наших вычислений совпадает с табличным. Анализируя полученные данные, заметили, что при добавлении воды наблюдается возрастание плотности смеси. Это можно объяснить проникновением частиц воды, между песчинками (аналогия: перемешать горох и пшено). При последующем добавлении порции воды (6 исследование) наблюдается появление над песком слоя воды, что приводит к возрастанию объёма смеси и как следствие уменьшению плотности. Плотность «идеальной» смеси для построения замка составляет: 2170 кг/м3. Замок на песке. «Здесь замок на песке - не поэтическое обозначение нереальных планов и несбывшихся надежд, а норма жизни: на чем же еще строить замки, если вокруг один песок? И что же им еще строить на песке, как не замки? Просто у бедных эмиратцев замки маленькие, двух-трехэтажные, а у богатых - бесконечные дворцы в ориентальном стиле, похожие не на дом для житья, а на голливудскую декорацию "Лоуренса Аравийского"»- вступление рекламной статьи приглашающей посетить ОАЭ. Так ли опасно строить города на песке? 7 июня 1692 года прибрежный город Порт-Ройяль на острове Ямайка стал жертвой землетрясения, в результате которого большая часть города исчезла в морской пучине. Порт-Ройял был очень большим богатым портом, где находился крупнейший невольничий рынок. С 1674 года по назначению короля Англии Чарльза II мэром города стал знаменитый пират Генри Морган. Однако место для строительства города было выбрано крайне неудачно - Порт-Ройял располагался на 16-километровой песчаной косе. Ее верхний слой до сих пор пропитан водой, а ниже находится смесь гравия, песка и осколков скальной породы. Долгое время считалось, что город просто "сполз" в море под действием подземных толчков. Однако последние исследования показали, что это не так. Оказывается, Порт-Ройяль был "проглочен" многометровыми песчаными отложениями, на которых он покоился. Толчки землетрясения вызвали энергичные колебания отдельных песчинок. Вибрации уменьшили сцепление между частицами, нарушили плотную структуру песка. Колеблющиеся песчинки отделились друг от друга и обрели независимость. Менее чем за минуту песок стал текучим, и город, потерявший опору, начал "тонуть". Спустя десять минут, когда землетрясение прекратилось, песок снова "затвердел", похоронив в своих недрах две трети города и более двух тысяч жителей. Еще в XIX веке на месте погребенного города из песка торчали остатки стен провалившихся домов. Но в 1907 году произошло очередное землетрясение, поглотившее эти свидетельства трагедии. Опыт 3. Моделирование землетрясения. Цель: воспроизвести механизм превращения обычного сухого песка в зыбучий вследствие землетрясения. Приборы и материалы: сухой песок, прозрачный объёмный сосуд, игрушечная машинка и фигурка человека, пластмассовый домик, виброакустический медицинский прибор SF – 202. Выполнение работы: для получения механических колебаний и возникновения в песке упругих волн мы использовали виброакустический медицинский прибор SF – 202. Песок приходит в движение постепенно, «река» из песка рождается непосредственно около источника колебаний, затем наблюдается выраженное распространение колебаний песчинок и течение вещества на расстоянии 10-12 см от источника. Отмечалось погружение колёс машины в песок, а также падение фигурки под действием потока песка. Смоделировать «поглощение» домика песком достаточно просто. На поверхность песка, находящегося в пластиковом сосуде, мы поставили домик (нижняя часть пластиковой бутыли срезана, бутыль следует перевёрнуть крышкой вниз). Затем открутили крышку. Потерявший опору домик утопает в песке. Вывод: Мы воспроизвели механизм превращения обычного песка в зыбучий. Оказывается, чтобы песок стал текучим, требуется источник механических колебаний. Опыт 4. Моделирование зыбучего песка. Цель: воспроизвести механизм превращения обыкновенного песка в зыбучий. Приборы и материалы: для проведения эксперимента нам потребовался сухой песок, пластмассовый пластиковый пятилитровый сосуд, штатив, прозрачный метровый гибкий шланг (диаметр сечения 25 мм), воронка, стеклянный сосуд кубической формы, сосуд с водой, игрушечная мышь. Выполнение работы: Обычный песок может стать зыбучим и по другой причине (см. опыт 3). Рассмотрим подробнее этот процесс. Чтобы песчинки хорошо слипались, вода должна только лишь покрывать частицы и их группы тонкой пленкой, большая же часть пространства между ними остается заполненной воздухом (см. 1 опыт). А что произойдет, если количество жидкости станет постепенно увеличиваться? Как только все пространство между песчинками будет заполнено водой, силы поверхностного натяжения пропадут и получится смесь песка и воды, обладающая совершенно другими свойствами. Метаморфозы песка таят в себе немалую опасность. Существует масса легенд и жутких историй, связанных с зыбучими песками. Большая часть из них объективно отражает страшную опасность, таящуюся под поверхностью песка, на первый взгляд, кажущейся такой безобидной. В 2000 году Национальное географическое общество США выпустило кинофильм о зыбучих песках, посвященный реальной опасности смертоносной природной ловушки. Зыбучие пески никогда не засасывают людей полностью - к такому выводу пришли исследователи из Нью-Йорка, проведя лабораторные эксперименты. Установлено также, что ему все же не стоит устраивать на них зоны экстремального туризма - дело обстоит куда хуже, чем просто в тех песках утонуть. Расчеты профессора Бонна показывают, что из такого песка почти невозможно выбраться. Человеку, чтобы вытащить из зыбучего песка случайно попавшую туда ногу, нужны усилия, достаточные для подъема легкового автомобиля. Схватывает крепче, чем бетон. Чаще всего зыбучие пески встречаются в холмистой местности. Спускаясь с гор, потоки воды движутся по каналам внутри доломитовых и известняковых скал. Где-то ниже по течению вода может пробить камень и устремиться вверх мощным потоком. Если на поверхности находятся песчаные отложения, то поток воды, идущий снизу, превратит их в зыбучие пески. Часто солнце подсушивает верхний слой песка, образуя тонкую твердую корочку, на которой может даже расти трава. Внешне такое "песчаное болото" выглядит вполне надежно и не вызывает никаких подозрений. Тем оно опаснее и страшнее. Для воспроизведения механизма превращения обычного песка в зыбучий потребовалось придумать и собрать установку (см. приложение). Принцип действия установки прост. Через воронку, по шлангу в сосуд с песком поступает вода (используется принцип работы фонтана) и через некоторое время можно увидеть погружение мышки в песок. Попытаемся объяснить это явление с точки зрения физики. Представьте, что вы стоите на песчаном берегу. Под ногами у вас слегка влажный песок; он тверд и хорошо выдерживает вес тела. В это время под толщей песка на глубине нескольких метров начинает бить подземный источник. Если поток окажется достаточно сильным, вода будет быстро подниматься вверх, заполняя пространство между частицами и раздвигая их. Сцепление резко уменьшится, песок станет "жидким", и почва в буквальном смысле поплывет у вас из-под ног Таким образом, зыбучий песок - это самый обычный песок, под толщей которого оказался восходящий источник. Если обильные грунтовые воды движутся в горизонтальном, точнее, слегка наклонном направлении, то образуются так называемые пески-плывуны. Они тоже засасывают, но не так опасны, поскольку менее насыщены водой. Хотя плотность зыбучего песка примерно в 1,6 раза больше плотности воды, плавать в зыбучем песке гораздо сложнее. Он очень вязок, поэтому любая попытка двигаться в нем встречает сильное противодействие. Медленно текущая песчаная масса не успевает заполнить возникающую за сдвинутым предметом полость; в ней возникает разрежение, вакуум. Сила атмосферного давления стремится вернуть предмет на прежнее место - создается впечатление, что песок "засасывает" свою жертву. Кроме того, перемещаться в зыбучем песке можно только очень медленно и плавно, так как смесь воды и твердых частиц песка инерционна по отношению к быстрым перемещениям: в ответ на резкое движение она как бы затвердевает. Вывод: смоделировать восходящий поток подземных вод нам удалось, как следствие мы наблюдали погружение мышки в песок. Достать мышь из песка не составило труда, следовательно, реальный процесс более сложен. Изучая статьи по интересующему нас вопросу, выяснили, что до сих пор ученые не поняли до конца природу этого опасного явления. Некоторые исследователи считают, что способность к засасыванию определяется особой формой песчинок. По одной из гипотез, выдвинутой российским физиком Виталием Фроловым, механизм действия зыбучих песков обусловлен электрическими эффектами, в результате которых между песчинками уменьшается трение и песок становится текучим. Если текучесть распространяется на глубину нескольких метров, грунт становится зыбучим и засасывает любое массивное тело, попавшее в него.

Похожие:

	Учебно-методический план элективного курса для профильного обучения школьников Практическая работа Исследование физических и химических свойств некоторых кислот		Изучение свойств Атмосферы земли Образовательная: обеспечить усвоение учащимся основных физических свойств воздуха; состава воздуха; типов облаков
	Методы исследования физических свойств наноструктур Целью курса является формирование у слушателей компетенций, позволяющих самостоятельно принимать решение о выборе методов исследования...		Практикум Учебное пособие для студентов строительных специальностей... Приведены стандартные методы определения основных физико-механических свойств как для сырьевых компонентов (цемента, битума, песка),...
	Дипломный проект тема Исследование динамических свойств автоматической... Тема Исследование динамических свойств автоматической системы регулирования тока тяговых двигателей электровоза 2ЭС6		Московский городской педагогический университет В основу курса положен принцип системного подхода при изучении ботанических ресурсов, а также традиционные описательные методы отдельных...
	Тема, часы П/Р №1 Исследование свойств ароматических веществ: спиртов, альдегидов и кислот. Т/Б		Исследование взаимосвязи структуры, твердости и магнитных свойств...
	"Налог на доходы физических лиц: порядок взимания в условиях рыночных отношений" Темой настоящей работы является исследование одного из самых распространенных налогов в налоговых системах всех стран – налога на...		Рабоч ая учебная программа дисциплины Технология тонких пленок и покрытий Целью освоения дисциплины является изучение физических явлений, происходящих на различных этапах процесса напыления и роста пленок;...
	Г. К. Венедиктов Данная рабочая программа отвечает одной из общих тематик учебно-реферативной деятельности учащихся Лицея – «изучение химических и...		И. А. Смирнова доктор технических наук, профессор Исследование свойств молочного белка с целью формирования белковых имитаторов жира
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Потребительские свойства товаров как совокупность химических, физических, биологических, технологических и др свойств		Макаров Валентин Михайлович Традиционным направлением научных исследований... Исследование динамики левитирующего сверхпроводящего тела в магнитном поле. Выявление силовых характеристик, обеспечивающих левитацию...
	Исследование электрических свойств диэлектрических кристаллов Математика. Пособие к изучению дисциплины и варианты заданий для контрольных работ. – М.: Мгту га, 2008. 48 с		Исследование физико-химических свойств хлеба 9 О внесении изменений в приказ министерства сельского хозяйства Новосибирской области от 26. 12. 2011 №194-нпа