Проекты

Исследование бумаги А4 на прочность

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная физика» среди работ учащихся 7−9 классов

Направление работы: Механика
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1501
Предметы: Физика
Классы: 9 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 2020 года

Актуальность

На данный момент бумага является неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Это хороший и дешёвый временный носитель информации. В основе производства бумаги лежат лесные ресурсы, по запасам которых Россия является мировым лидером. Однако тонкие листы бумаги чаще всего представляют как ненадёжный, легко рвущийся материал, в связи с чем использованную бумагу обычно выбрасывают и сжигают вместо вторичного использования прессованной бумаги. На данный момент прессованная использованная бумага редко где используется, а о том, насколько прочна бумага в действительности, мало кто задумывался. В настоящее время исследуются нестандартные материалы, и бумагу можно рассматривать как пример анизотропного волокнистого материала. В работе исследовались механические свойства таких материалов на примере бумаги.

Цель

Измерить прочностные характеристики путём разрыва бумаги с помощью специально созданной установки, изучить иные факторы, влияющие на прочность бумаги и сделать соответствующие выводы.

Задачи

1. Определить силу, необходимую для разрыва целой бумаги формата А4.

2. Изучить, как вырезы, уменьшающие ширину листа бумаги, влияют на его прочность.

3. Определить, существует ли зависимость прочности листа бумаги от направления волокон, из которых он состоит.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Лебёдка с силой тяги 675 кгс

  • Динамометр, на 50 кгс

  • Зажимы для бумаги

  • Верёвка (2 шт.)

  • Видеокамера

Описание

Сначала автор разорвал целый лист бумаги формата А4 (210x297 мм) вдоль большей стороны листа бумаги. В результате было вычислено среднее значение силы, оценено среднее квадратичное отклонение (δ) и выражена относительная ошибка (ε).

Далее автор проверил, существует ли зависимость прочности листа бумаги от направления волокон, из которых он состоит. Для этого были созданы 10 листов квадратной формы размером 210x210 мм. Предположив, что волокна направлены вдоль большей стороны листа формата А4 (210x297 мм.), 5 листов были разорваны так, что линия разрыва шла вдоль предполагаемых волокон, а 5 других листов – так, что линия разрыва шла поперёк предполагаемых волокон. Для этих экспериментов автор также вычислил среднее значение силы, среднее квадратичное отклонение и относительную ошибку ε. После этого автор сравнил результаты.

Далее автор определил, как вырезы, уменьшающие ширину листа бумаги, влияют на её прочность. Для этого были сделаны 5 листов с треугольными боковыми вырезами и 5 листов с круглыми центральными. После их разрыва также были найдены среднее значение силы, среднее квадратичное отклонение и относительная ошибка ε. После этого результаты сравнили.

Результаты работы / выводы

Итоговые значения силы разрыва:

  • для целых листов формата А4: F= 43,44 ± 2,28 кгс; (434,4± 22,8 H); ε=5%;

  • для листов 210x210 мм с разрывом поперёк волокон: Fср/поперёк=43±4 кгс; (430±40 Н); ε=9%;

  • для листов 210x210 мм с разрывом вдоль волокон: Fср/вдоль=24±4 кгс;

  • (240±40 Н); ε=7%;

  • для листов с круглыми вырезами: Fкруг=26±3кгс; (260 ±30 Н); ε=13%;

  • для листов с треугольными вырезами: Fтреуг=21±2кгс; (210 ±20 Н); ε=10%.

После сравнения результатов, автор выяснил:

  • значения силы разрыва для листов 210x297 мм и листов 210x210 с разрывом поперёк волокон почти не отличаются, исходя из чего автор сделал вывод: изменение длины бумаги при разрыве поперёк волокон никак не влияет на её прочность;

  • значения силы разрыва для листов 210x210 мм вдоль и поперёк волокон отличаются почти в 2 раза; таким образом, была обнаружена анизотропия бумаги – прочность бумаги зависит от направления разрыва;

  • значения силы разрыва для листов с круглыми вырезами больше, чем для листов с треугольными вырезами.

Также в разорванных листах была замечена интересная особенность. В листах 210x210 мм, разорванных вдоль волокон, нет ничего особенного: линия разрыва всегда идёт параллельно зажимам. Но в листах, разорванных поперёк волокон, линия разрыва изначально начинает идти перпендикулярно зажимам или же вдоль волокон (в области меньшего сопротивления разрыву) и только потом начинает идти поперёк волокон. Данное явление было замечено во всех листах, разорванных поперёк волокон, в том числе и в целых листах 210x297 мм. Во всех листах, разорванных вдоль волокон, этого не наблюдалось. Этому новому открытому явлению автор дал название «Лунка разрыва».

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

МФТИ