«Физика вокруг нас — 2015»

ЧАШКА КОФЕ

ЗАДАЧА «Чашка кофе».

Условие задачи. Физики любят пить кофе, однако прогулка с чашкой кофе между классами (или лабораториями) может быть проблематичной. Исследуйте как форма кружки, скорость её передвижения и другие параметры системы могут влиять на то, что кофе разольётся.

Цель. Исследовать зависимость амплитуды колебаний уровня поверхности жидкости от скорости передвижения объекта, геометрических размеров сосуда, объема жидкости и других внешних факторов.

Задачи.

1. Разработать физическую модель исследуемого процесса.
2. Провести лабораторные исследования в соответствии с моделью.
3. Построить графические зависимости.
4. Обосновать полученные результаты.
5. Сделать физическую оценку результатов исследования.

Оборудование.

1. Для анализа результатов выбраны сосуды различной геометрической формы.
2. В качестве модели неравномерного движения выбран вращающийся диск «Здоровье», на котором можно спроектировать качающиеся, возвратно-поступательные и вертикальные перемещения объекта.
3. В качестве регистрирующих элементов выбраны лакмусовые бумажки, краситель, линейка.
4. Секундомер.

 

Физическая модель.

В процессе поступательного движения человек совершает колебательные движения в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Горизонтальные перемещения возникают за счет смещения центра масс человека при смене опорной ноги. Вертикальные перемещения связаны с длиной шага. Эти колебания через руку передаются жидкости в сосуде. Таким образом, жидкость совершает сложный колебательный процесс.

В данной работе мы попытались проанализировать поведение жидкости, разбив задачу на более простые составляющие:

— горизонтальное перемещение с различной частотой, массой, формой сосуда, вида жидкости;

—  вертикальное перемещение, зависящее от длины шага.

 

Проведение эксперимента.

 

Зависимость от массы жидкости.

m1=50 г, m2=100 г, m3=150 г.

Чем меньше масса, тем амплитуда больше.

 

Зависимость от частоты колебаний.

Частота колебаний жидкости зависит от частоты шага человека.

n₁= 0,5 c^-1, n₁= 1 c^-1 ,n₂= 1,5 c^-1

С увеличением частоты шага смещения центра масс происходят чаще и амплитуда будет больше.

 

Зависимость от формы сосуда.

 

Зависимость от плотности и вязкости жидкости.

ρ₁= 1000 кг/м³, ρ₂= 930 кг/м³

   Объемы воды и подсолнечного масла одинаковы. У подсолнечного масла больше вязкость, поэтому амплитуда меньше.

Вязкость — свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Вязкость воды 1,002 мПа .с, масла 69 мПа . с.

 

Вертикальная составляющая колебаний.

Зависимость амплитуды от длины шага человека исследовали, меняя угол наклона диска. Прямая  пропорциональная зависимость – чем меньше угол (длина шага меньше), тем амплитуда меньше.

 

Зависимость амплитуды от перемещений человека в вертикальной плоскости.

При увеличении амплитуды приседаний или частоты шага на одном месте

амплитуда колебаний жидкости

возрастает.

Приседание (перемещение в вертикальной плоскости) в меньшей мере влияет на амплитуду колебаний жидкости, чем ходьба на месте.

 

Вывод.

1. Кофе будет разливаться в случае, если амплитуда колебаний превысит расстояние от поверхности жидкости до края сосуда.
2. Амплитуда колебаний жидкости зависит от многих факторов:

— массы жидкости (обратно пропорциональная зависимость);

— частоты шага (прямо пропорциональная зависимость), в некоторых случаях при совпадениях собственной частоты колебания жидкости с частотой шага происходит резонанс;

— длины шага (прямо пропорциональная зависимость, менее выражена);

— вязкости жидкости (обратно пропорциональная зависимость);

— формы сосуда;

— уровня расположения чашки (чем ниже человек несет чашку, тем меньше амплитуда колебаний ее содержимого).

3. Таким образом, для того,  чтобы кофе не разливался, его следует пить из чашки конусообразной формы, двигаясь медленно короткими шагами, добавив в него побольше сахара. Держать чашку за верхний ободок на вытянутой руке ниже уровня пояса.