Научно-исследовательская работа студентов в образовательном процессе колледжа «Наземный транспорт 21 века – пути снижения силы лобового сопротивления»

Ильина Татьяна Васильевна, преподаватель физики

«Подмосковного колледжа Энергия»,

г. Электроугли, Ногинский район

Требование Национальной доктрины образования Российской Федерации, принятое Правительством РФ - обеспечение разностороннего развития творческих способностей учащихся.  

Задача нашего Научно Студенческого Общества   -  это  формирование у всех обучающихся  академических знаний, способности трудиться, жить и адаптироваться в быстро меняющемся мире. Колледж создаёт условия, при которых каждый студент может получить возможность попробовать себя в разных областях деятельности – исследовать окружающий мир, действовать в ситуациях, когда ранее усвоенные алгоритмы и правила поведения оказываются неприменимыми. Эти способности могут быть развиты только в процессе проведения практических исследований. Студенческое научное общество колледжа является добровольным научным объединением студентов, активно участвующих в исследовательской работе. 

Возглавив  научно студенческое общество колледжа, я обратила внимание на интерес студентов особенно специальности Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта  к мировой проблеме 21 века - энергетический  кризис во всём мире.

Срок, на который человечеству хватит мировых запасов нефти, газа и угля при нынешнем уровне потребления ограничен - недра истощаются. Есть природные источники, которые давно  погасли - природные ресурсы не возобновляются, происходят климатические изменения (сожжение ископаемых источников энергии).  Цены на нефть растут стремительно. Если цена на нефть продолжит расти, то увеличится потребность в биотопливе. Биоэнергетика может частично заменить ископаемые источники энергии, расходуя зерно, растительные масла на производство биодизельного топлива, но био запасы это пища для людей, которым грозит голод, с каждым годом растёт население. Развитие биотопливной индустрии вынуждает сельхозпроизводителей сокращать посевные площади под продовольственными культурами. По расчётам экономистов из Университета Миннесоты, в результате биотопливного бума число голодающих на планете к  2025 возрастёт до 1,2 млрд человек. Переводить критичный компонент мировой пищевой системы на топливо нельзя - будет голод. Можно использовать водород в качестве автомобильного топлива, но процесс получения водорода связан с образованием углекислого газа, влияющий на парниковый эффект. Получение чистого водорода (без одновременного образования углекислого газа) электролиз воды – процесс энергоёмкий.

Есть два пути уменьшения потребления топлива: улучшение аэродинамических качеств транспорта и улучшение дорог. Совместно это приведёт к экономии энергоресурсов, экономии времени нахождения в пути и улучшения экологии. Уменьшение силы лобового сопротивления и как следствие – увеличение скорости  наземного транспорта. Россия готовится к производству поездов нового поколения способных развивать скорость 250 – 350 км/ч, аналогичных высокоскоростным поездам «Сапсан», TGV, гоночных машин «Формулы 1». Наше  правительство планирует создать высокоскоростное железнодорожное сообщение из Москвы с Казанью, Самарой и Ульяновском в рамках программы доставки болельщиков на чемпионат мира по футболу в 2018 году. "Это будет мощным импульсом для развития скоростного движения в европейской части РФ", - сказал В. Путин. В Верхней Пышме  уже запущено производство электричек нового поколения "Ласточка". Ведутся научно-исследовательские работы по автомобилям на альтернативных источниках топлива. Максимальная скорость электромобиля составит 140 км/ч, а запас хода -170 километров. Россия принимает участие в королевских автогонках «Формула -1», международном ралли «Дакар. Автогиганты Дженерал  Моторс, Мерседес Бенц, Рено, Фиат, Бугатти  для  отработки новейших технологий и дальнейшего внедрения в автопромышленность создали автогонки. Для уменьшения лобового сопротивления воздуха создатели автомобилей стремятся придать им обтекаемую форму. Грамотно сконструированные и тщательно продутые в аэродинамической трубе элементы автомобиля позволяют уменьшить Сх  -коэффициент лобового сопротивления.  Сх определяется экспериментальным путем в аэродинамической трубе или с помощью расчетов. У современных автомобилей значение Сх в пределах 0,30. Главная задача снизить до 0,10. На нашей планете всякое перемещение происходит или в воздухе, или в воде, и на движущееся тело всегда действует сила, противоположная направлению его движения относительно окружающей среды. Эта сила называется лобовым сопротивлением. Именно из-за неё для поддержания равномерного движения любого транспортного средства необходима работа двигателя: если его выключить, тело потеряет скорость и остановится. Любое сопротивление зависит от формы и размеров тела.  На базе  второго закона Ньютона Н. Е. Жуковский рассчитал аэродинамическую силу лобового сопротивления. В школьном  курсе физики поверхностно знакомят с движением тел в воздушной и водных средах, но  будущим специалистам по обслуживанию автомобильного транспорта эта тема важна.  Поставив перед собой задачи: экспериментально определить аэродинамический коэффициент лобового сопротивления наземного транспорта различных форм, разработать методику расчёта силы лобового сопротивления, провели ряд исследований. С помощью лабораторной  аэродинамической трубы, аэродинамических весов, теории моделирования, основного закона сопротивления воздуха и методики осуществили продувки моделей различных форм наземного транспорта. По результатам эксперимента построили и интерполировали графики для определения коэффициента лобового сопротивления конкретной модели. Установили, что коэффициент лобового сопротивления зависит от формы тела.

Цели были достигнуты, студенты расширили свой кругозор в понимании коэффициента лобового сопротивления и его значение для наземного транспорта  различных форм параллелепипеда, ромба, сферы, капли. Все опыты удались. Убедились, что  формы высокоскоростного  наземного транспорта 21 века приближаются к каплевидности. Проверили, как зависит сила лобового сопротивления от скорости движения. Уменьшение сил лобового сопротивления это способ уменьшения выброса вредных веществ (тяжёлых металлов, углекислого газа), экономии топлива. Все эти работы будут иметь значение с одновременным развитием транспортных путей. В настоящее время увеличение скорости и улучшение аэродинамических качеств автомобилей будут неэффективны. Развитие дорог и транспортных развязок для высокоскоростного наземного транспорта планируем  в следующей научно исследовательской  работе. 

В процессе  исследования проводилась работа с литературными источниками по аэродинамике, консультировались в МГТУ им. Н.Э. Баумана. В лаборатории физики колледжа  проведена серия опытов на аэродинамической трубе. Посетили Дмитровский автополигон под Москвой лаборатории аэродинамики и эргономики познакомились с техническими характеристиками полномасштабной аэродинамической трубы с результатами натурных «продувок» автомобилей  ВАЗ  для сравнения с нашими  лабораторными результатами.

По окончанию работы провели семинар на тему «Наземный высокоскоростной транспорт 21 века». В своих докладах студенты затронули вопросы развития высокоскоростного современного наземного транспорта, применения новых видов топлива, проблем экологии. Участники семинара представили результаты исследований по испытаниям в аэродинамической трубе  дали сравнительный анализ своих показателей с аналогичными испытаниями на Дмитровском автомобильном полигоне. Выступления сопровождались графиками, таблицами, видеоматериалами, показан ралли-марафон  «Дакар», материалы Женевского автосалона. Студенты колледжа внимательно и с интересом воспринимали материалы докладчиков. Цель семинара – привлечь студентов к исследовательской деятельности, была достигнута. Ряд присутствующих студентов пожелали участвовать в Научном студенческом обществе.  Сообщения о выполненных исследованиях были сделаны на ряде научных конференций. Студент Олег Никишин выступил с докладом «Пути снижения силы лобового сопротивления» на областной конференции «Юный исследователь» в г. Черноголовка. Студентка Бурова Мария выступила с докладом «Продувка моделей различных форм наземного транспорта с помощью лабораторной аэродинамической трубы» на научно – практической конференции в университете города Дубна. Учащиеся одиннадцатого физико-математического класса школы № 33 г. Электроугли, Пиманова Валентина, Ильинский Денис, будучи активными участниками НСО колледжа, выступили с докладами: «Мировая проблема наземного транспорта XXI века”, «Сравнение результатов аэродинамического теста автомобилей ВАЗ с лабораторными», на XI научно практической конференции «Шаг в будущее, Ногинск».

ЛИТЕРАТУРА:

1.Аэродинамические трубы Института Механики МГУ: Научные труды МГУ.- М.: МГУ, 2011

2.Национальная доктрина образования в Российской Федерации. - М., 2000

3.Остославский И.В. Аэродинамика самолета  Государственное издательство оборонной промышленности, М.,1957

4.Сборник лучших работ шестой научной конференции «Шаг в будущее, Москва», МГТУ им. Баумана Департамент  образования  г. Москвы, М. 2003     

5. Федеральный закон от 29 декабря 2012 г. №273-ФЗ «Об образовании в  Российской федерации»/

Приложение