Загальні відомості про структуру лабораторного практикуму

Зміст

 

ВСТУП ………………………………………………………....
ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО СТРУКТУРУ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМУ
Розділ 1. ГІДРАВЛІКА…………………………………………
Лабораторна робота 1.1………………………………………..
Лабораторна робота 1.2………………………………………..
Лабораторна робота 1.3………………………………………..
Лабораторна робота 1.4………………………………………..
Лабораторна робота 1.5………………………………………..
Лабораторна робота 1.6………………………………………..
Лабораторна робота 1.7………………………………………..
Лабораторна робота 1.8………………………………………..
Лабораторна робота 1.9………………………………………..
Лабораторна робота 1.10……………………………………….
Розділ 2. АЕРОДИНАМІКА……………………………………
Лабораторна робота 2.1………………………………………..
Лабораторна робота 2.2………………………………………..
Лабораторна робота 2.3………………………………………..
Методичні вказівки до самостійної роботи студентів……..
Список рекомендованої літератури……………………….....

 

 

Вступ

 

Навчальним планом підготовки бакалаврів напряму 6.050301 "Гірництво")з дисципліни "Гідромеханіка" передбачено вивчення навчального матеріалу шляхом відвідування курсу лекцій, виконання та захисту лабораторних робіт, самостійної роботи.

Відповідно до міжнародного стандарту ІСО 9000 забезпечення якості пов'язане з сукупністю планованих і таких, що систематично проводяться заходів, необхідних для створення упевненості в тому, що продукція або послуга задовольняє певним вимогам і якості.

Для інженерних спеціальностей найгостріше ці питання стоять при реалізації умов знайомства студентів із загальними природничо-науковими закономірностями навколишнього світу. Бо відомо, що навіть найблискучіша професійна обробка неякісної первинної інформації не може привести до правильного результату.

Застосування розробки Г.В. Алексєєв, І.І. Бриденко "Віртуальний лабораторний практикум по курсу "Механіка рідини і газу"" свідчать про те, що таке завдання цілком вирішуване при використанні сучасних комп'ютерних технологій. Компактність створюваних Flash-роликов дозволяє для кейс-версій ДО розмістити вказані лабораторні роботи на одній дискеті 1,44 МБ. Працювати з нею студент може самостійно на будь-якому комп'ютері, на який заздалегідь завантажений пакет або плеєр Flash MX, виконуючи всі необхідні вимірювання|виміри| і розрахунки відповідно до методичних вказівок.

Досвід створення і використання віртуального лабораторного практикуму дозволив виділити додаткові можливості підвищення якості навчання і підвищити креативність отримуваних знань при його реалізації на базі пакету Flash MX.

По-перше, створення віртуальної копії лабораторних стендів, що реально діють, дозволяє підвищити надійність проведення відповідних практикумів і для студентів очної форми навчання (наприклад, для тих лабораторних робіт, які розміщені на сайті університету).

По-друге, оскільки придбання лабораторних стендів типу аеродинамічної труби для реального проведення деяких практикумів в даний час дуже проблематично, то єдиним варіантом знайомства зечією ідеального газу по каналу змінного перетину і обтікання ним профілю лопатки компресора є віртуальні лабораторні роботи.

По-третє, елементи створеного навчально-методичного забезпечення можуть бути з успіхом застосовані для багатьох суміжних дисциплін, де змінюються не тільки геометричні або кінематичні параметри процесів, що вивчаються, або апаратів, але і фізико-хімічний стан робочого тіла.

Таким чином, розроблене навчально-методичне забезпечення на базі Flash-технологій дозволяє забезпечити необхідну якість засвоєння учбового матеріалу не тільки в рамках денного відділення, але дає додаткові можливості реалізації учбового процесу для інших форм навчання, причому можливості інтерактивної дії навчаного на процеси, що вивчаються, дозволяє реалізувати будь-які творчі ініціативи.

Для реалізації аналогічних умов здійснення освітнього процесу з використанням традиційних підходів, тобто застосуванням «живого» лабораторного обладнання, необхідні істотні фінансові вкладення. В умовах відсутності в даний час централізованого забезпечення освітніх установ відповідним устаткуванням воно повинне бути спроектоване і виготовлене на одному з машинобудівних підприємств. Необхідні спеціальні площі в освітній установі для його розміщення і навчений обслуговуючий персонал. Для більш менш серйозних лабораторних робіт необхідний облік електроенергії, що витрачається, і витратних матеріалів, а також заходів на забезпечення безпеки виконання дослідів. Такий підхід неприйнятний для дистанційного навчання. Облік вказаних обставин при використанні віртуальних лабораторних робіт дозволяє отримати економію навіть на одній академічній групі, що навчається стаціонарно.

Закладена в основу розробки віртуальних лабораторних робіт методологія дозволяє реалізувати проблемний підхід при вивченні модельованих процесів і сприяє підвищенню креативності отримуваних знань.

 

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО СТРУКТУРУ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМУ

Всі описувані в даному навчальному посібнику віртуальні лабораторні роботи (ВЛР) виготовлені за допомогою програми Flash MX 2004. Тому їх файли мають розширення «.swf» і для перегляду таких файлів в комп'ютері повинен бути встановлений спеціальний програвач корпорації Macromedia — Flash Player 7 (або пізніші версії), а для роботи з файлами SWF в складі Інтернет-сторінок плеєр повинен бути, крім того, вбудований в оглядач інтернет-сторінок (браузер), наприклад Internet Explorer.

Слід відмітити, що жодних спеціальних навичок для роботи з програвачем не потрібні, і тому виконання даного циклу віртуальних лабораторних робіт цілком доступно будь-якому користувачеві із елементарними знаннями ПК.

Рис. 1.1. Навігаційна оболонка учбового диска: Курс МЖГ

 

Натискаючи верхню кнопку «Гідравліка» навігаційної оболонки курсу «Механіка рідини і газу», можна перейти до панелі із списком віртуальних робіт по гідравліці, див. рис. 1.2, а натискаючи нижню кнопку «Аеромеханіка» — до панелі із списком віртуальних робіт по аеромеханіці, див. рис. 1.3.

Далі в списку, що з'явився, залишається вибрати перехід до відповідної лабораторної роботи наведенням на неї курсора, наприклад перехід до методичної частини віртуальної лабораторної роботи «Визначення гідростатичного тиску» по гідравліці і кликнути по верхній кнопці з написом «Перехід» — ця кнопка виділена червоним кольором (рис. 1.2). Або, наприклад, до тестуючої програми віртуальної лабораторної роботи «Перебіг газу по соплу Лаваля» по аеромеханіці — кнопка «Вхід», також виділена червоним кольором, рис. 1.3.

 

Рис. 1.2. Панель із списком віртуальних робіт по гідравліці

 

Якщо натиснути на розташовану справа вгорі панелі із списком квадратну кнопку із хрестиком, то панель закриється і знову стане доступна навігаційна оболонка учбового диска, рис. 1.2.

Проте після вивчення відповідного методичною і теоретичного розділу за допомогою даного посібника, можна відразу ж приступити до виконання вибраної лабораторної роботи, для чого досить натиснути кнопку «Вхід» потрібного розділу тестування, рис. 1.2 і 1.3.

Наступний етап — віртуальне тестування і по його позитивних результатах — отримання допуску до безпосереднього виконання роботи. Для цього необхідно правильно відповісти на всі п'ять контрольних питань із випадкової вибірки з даної тематики і набрати необхідні 25 балів, тоді в правій нижній частині тестуючого поля з'явиться кнопка: «Перехід до виконання роботи».Натискаючи квадратну кнопку з хрестиком, розташовану справа вгорі вікна з віртуальною лабораторною роботою, можна знову повернутися до панелі із списком робіт по Гідравліці, рис. 1.2.Якщо при цьому натиснути ліву кнопку миші і утримувати її, з'явиться друге інформаційне поле з короткою інструкцією по виконанню даної віртуальної лабораторної роботи.

 

 

Рис. 1.3. Панель із списком віртуальних робіт по аеромеханіці

 

Крім того, на полі кожної віртуальної лабораторної роботи справа внизу розташована овальна кнопка «Скидання». Натиснувши цю кнопку, можна у будь-який момент привести лабораторну роботу в початковий стан. При цьому відновити попередній її стан буде вже не можна.

Текстове поле «Прізвище студента» заповнюється студентом самостійно, для цього достатньо, помістивши курсор в центр поля, кликнути лівою кнопкою миші і набрати прізвище з клавіатури. Текстове поле з прізвищем дозволяє персоніфікувати дану лабораторну роботу на час її виконання і, якщо знадобиться, зберегти її потрібний стан, наприклад, в програмі Word для включення в звіт викладачеві. Перенесення повного зображення екрану з лабораторною роботою через системну кишеню (буфер обміну) комп'ютера в документ Word можна провести у будь-який момент за допомогою спеціальної клавіші <SysRq> клавіатури і вставити його на місце, відмічене курсором, за допомогою стандартної команди «Вставити». Надалі документ Word може бути роздрукований на принтері або збережений на дискеті.

Встановлений порядок переходу до виконання лабораторної роботи через тестування, можливість виведення двох інформаційних полів при наведенні покажчика миші на позначення «Лаб. №», можливість у будь-який момент скористатися кнопкою «Скидання» і додавання прізвища студента у відповідне текстове поле — загальні для всіх віртуальних лабораторних робіт. Тому повторних пояснень із цього приводу приводитися не буде.

Розділ 1. ГІДРАВЛІКА

Лабораторна робота №1.1

Тема: «Визначення гідростатичного тиску»

Мета роботи:

1. Визначити ціну ділення стрілочного манометра в атмосферах, кгс/м², м вод. ст., мм рт. ст, Па, враховуючи, що манометр має сто елементарних ділень.

2. Визначити щільність другої рідини, вважаючи, що в лівому диференціальному п'єзометрі — вода.

 

Теоретична частина

Основні поняття про гідростатичний тиск

Всі рідини на Землі знаходяться під тиском поверхневих і масових сил.

До поверхневих відносяться сили, що діє на поверхню, що відокремлює даний об'єм рідини від газової або твердої фази. Наприклад, сила тиску атмосферного повітря або поршня на поверхню рідини.

До масових відносяться сили, напрям і величина яких обумовлена масою самої рідини. Наприклад, сила тяжіння, сили інерції, відцентрова, доцентрова і тому подібне

Найбільш простим і таким, що часто зустрічається в природі і техніці випадком рівноваги (спокою) рідини є рівновага під дією однієї поверхневої сили (сили тиску на вільну поверхню рідини) F і однієї масової сили (сили тяжіння) G.

В результаті дії цих сил усередині рідини виникає тиск, який в будь-якій точці визначається по формулі:

 

(1.1)

де

Р_а6с - абсолютний одиничний гідростатичний тиск в точці рідини, Н/м²;

F - сила тиску на вільну поверхню рідини над даною точкою, Н;

G - сила гідростатичного тиску, чисельно рівна вазі рідини над даною точкою, Н;

S — площа поверхні, на яку діють сили F і G, м².

 

Тиск Р в якій-небудь точці рідини, що виникає під дією тільки сили тяжіння, називають одиничним гідростатичним тиском:

(1.2)

 

Одиничний гідростатичний тиск володіє двома основними властивостями — тиск в точці по всіх напрямах діє з однаковою силою, і ця сила спрямована завжди по внутрішній нормалі (перпендикуляру) до майданчика. Іншими словами, одиничний гідростатичний тиск — це стискуюча напруга, що виникає в рідині під дією сил тяжіння.

Одиничний гідростатичний тиск залежить від глибини занурення крапки і ваги рідини над даною крапкою:

(1.3)

де

— питома вага рідини (відношення ваги рідини до її об'єму), Н/м³;

— щільність рідини (відношення маси рідини до її об'єму), кг/м³;

— відстань від крапки в об'ємі рідини до вільної поверхні, м.

 

Під вільною поверхнею розуміється поверхня розділу фаз (наприклад, рідина — газ або рідина — тверде тіло).

Якщо на вільну поверхню рідини діє атмосферний тиск р₀, то загальний або абсолютний тиск в точці рідини:

 

(1.4)

 

В цьому випадку одиничний гідростатичний тиск називають надмірним тиском і позначають Р_изб.

Якщо на вільну поверхню рідини діє тиск р_м — більше, ніж атмосферне (р_м>р_а), то абсолютний тиск в точці рідини:

 

. (1.5)

 

В цьому випадку під надмірним тиском розуміють суму тиску манометричного р_м і гідростатичного, рівного rgh.

Вирази (1.3) і (1.4) називаються основними рівняннями гідростатики і дозволяють розрахувати абсолютний або надмірний тиск в будь-якій точці об'єму рідини, що знаходиться під дією однієї масової сили (сили тяжіння) і однієї поверхневої сили (сили тиску на вільну поверхню).

Гідростатичний тиск в системі СІ вимірюється в Паскалях: 1Па=1Н/м².

Визначення тиску і щільності

Надмірний тиск вимірюється манометром. Найбільш поширені стрілочні манометри мембранного і сільфоного типів.

Іншим, не менш поширеним приладом для вимірювання надмірного тиску, є рідинний манометр (п'єзометр), що є скляною вертикальною трубкою, одним кінцем приєднану до ємності з рідиною. Інший кінець з'єднаний з атмосферою. П'єзометр дає показання надмірного тиску, вираженого в метрах стовпа рідини, що заповнює п'єзометр. З рівняння (1.3) висота рідини в п'єзометрі:

 

. (1.6)

 

Так, для вимірювання тиску, рівного одній атмосфері (9,81•10⁴Па), буде потрібно п'єзометр з висотою заповненою водою трубки (щільність води r_в = 1000 кг/м³ при температурі t= 20 °С).

 

 

Таким чином, при вимірюванні тиску п'єзометром, заповненим водою, ми отримаємо показання тиску, виражене в метрах повного стовпа: р = 10 м вод. ст.=1 атм.

При вимірюванні аналогічного тиску ртутним п'єзометром (щільність ртуті r_р = 13600 кг/м³):

 

В цьому випадку той же тиск буде виражений в міліметрах ртутного стовпа: р = 735 мм рт. ст. = 1 атм.

Таким чином, тиск в 1 атмосферу можна виразити в найбільш поширених для гідравлічних приладів одиницях таким чином: 1 атм (кгс/см²) = 1•10⁴ кгс/м² = 9,81•10⁴ Н/м² (Па)=10 м вод. ст.=735 мм рт. ст.

Для визначення різниці тиску в двох довільно узятих крапках застосовують рідинний диференціальний (різницевий) манометр, який є U-образную вертикальною трубкою, заповненою рідиною (найчастіше водою або ртуттю). Рідинний дифманометр надає свідчення різниці (перепаду) тиску, вираженої в метрах стовпа налитої в нього рідини.

У просторі, заповненому рідиною, що покоїться, завжди можна знайти поверхню, впродовж якої гідростатичний тиск не міняється. Такі поверхні називають поверхнями рівного тиску або поверхнями рівня. Поверхні рівня не перетинаються між собою і розташовані нормально напряму масових сил. Так, в рідині, що знаходиться в спокої під дією сили тяжіння, поверхня рівня — горизонтальна площина.

 

Порядок виконання роботи

Принципова схема лабораторної установки представлена на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Принципова схема установки

 

За допомогою насоса 1 в обмеженому об'ємі 2 створюється відповідний тиск, який фіксується манометром 3, а також двома диференціальними п'єзометрами 4, заповненими: лівий — водою, правий рідиною невідомої щільності.

Таблиця 1.1
Одиниця вимірювання	Тиск р
атм (кгс/м2)
кгс/м2
м вод. ст
мм рт. ст
Па

По манометру 3 встановлюють тиск, далі знімають показання диференціальних п'єзометрів і, підставляючи ці значення в рівняння (1.3), розраховують ціну ділення манометра 3 і щільність рідини в правому п'єзометрі.

Виміряний тиск необхідно виразити в п'яти різних одиницях і внести до таблиці 1.1.