Экскурсии на железнодорожную дорогу
На железную дорогу экскурсии можно проводить в каждом классе:
– в 7 классе при изучении темы «Работа. Мощность. Энергия»;
– в 8 классе – «Тепловые явления», «Электрические явления»;
– в 9 классе – «Законы взаимодействия и движения тел», «Механические колебания»
– в 10 классе – широкая обзорная экскурсия по разделу «Механика»;
– в 11 классе – «Магнетизм», «Электромагнетизм. Цепи переменного тока».
Экскурсия в железнодорожное депо (7 класс)
Цель экскурсии. Раскрыть значение простых механизмов, используемых в железнодорожном транспорте. Познакомить учащихся с профессиями, связанными с железной дорогой.
Железнодорожный транспорт является одним из самых распространенных транспортных сообщений в современном мире. Нет школьника, который бы не слышал такие слова как локомотив, поезд, вагон, вокзал, но некоторые из них не ездили по железной дороге, и не представляют, что происходит с вагонами и пассажирами во время движения в пассажирских поездах и с грузом в грузовых вагонах.
Для многих учеников, а иногда для взрослых, подвижной состав поезда является тележками на рельсах, и они не догадываются обо всех физических явлениях, которые обеспечивают и сопровождают движение поезда.
С одной стороны, может показаться, что одно и то же место посещения не будет вызывать интерес школьников. Но железная дорога – это не только станция, состоящая из здания вокзала, платформ и путей. Как показывает наш опыт, на железной дороге много разнообразных объектов, раскрывающих особенности применения физических явлений и законов, их описывающих. Они демонстрируют огромный мир железнодорожных профессий, что обязательно имеет влияние на профессиональное самоопределение учащихся. С другой стороны на железной дороге, как доступном масштабном экскурсионном объекте, учитель может найти много практических примеров использования достижений физики и техники при изучении различного учебного материала.
Так как тема «Работа. Мощность. Энергия» в 7 классе касается больше простых механизмов, то и объекты посещения должны быть связаны с простыми механизмами. Лучшими экспонатами для такой экскурсии будут путевые машины и путеукладчики (рис. 14), железнодорожные краны, щебне-очистительные машины.
Рис. 14. Путеукладчик
Рис. 15. Железнодорожная стрелка
Так как экскурсия в 7 классе носит больше тематический характер, чем профориентационный, то выстраивать экскурсию логичнее в том же порядке, что и изложение материала в школе. Начать с яркого примера рычага. В депо стрелочные переводы, в большинстве своем, ручные, а, значит, перевод стрелок осуществляется при помощи рычага, состоящего из самого рычага и второго плеча с противовесом.
На лабораторный рычаг он не очень похож из-за V-образности, но тут следует спросить у детей определение рычага.
Далее обращаем внимание на строение самих стрелок (рис. 15), ведь «остряк» (переводной кусок рельсы) – это своего рода наклонная плоскость или клин, повернутый на 90 градусов. Так же переводные брусья крепятся к «острякам» болтами, что тоже является примером простого механизма винта.
Переходим к кранам. На железной дороге краны разные и цели их использования неодинаковые. С каким видом кранов столкнется учитель в конкретном депо не известно. Но все краны делятся на 2 группы: для укладки рельс и для погрузочно-разгрузочных работ, что определяет конструктивные особенности и грузоподъемность.
Следует обратить внимание на крюк конкретного крана, так как у разных кранов, разные виды крюковой подвески.
При посещении депо на электрифицированных участках железной дороги учителю важно обратить внимание на использование подвижных и неподвижных блоков не только в кранах, но и в системе контактной сети.
Путевые машины представляют собой специальный подвижной состав, предназначенный для сооружения верхнего строения пути при строительстве и реконструкции железных дорог, а также для выполнения всех работ при их текущем содержании и ремонте.
Первые путевые машины начали применяться в XVIII веке. В России их использовали уже при строительстве и обслуживании первых рудничных рельсовых дорог. В 1834 году при эксплуатации первых паровозов на Нижнетагильской чугунной дороге отец и сын Черепановы впервые механизировали очистку пути от снега при помощи плуга с конной тягой. Ефим Алексеевич (1774-1842) и Мирон Ефимович (1803-1849) Черепановы – русские промышленные инженеры-изобретатели, известные тем, что построили первый паровоз и железную дорогу в России.
С конца 1840-х годов на железной дороге Петербург-Москва работал для очистки путей от снега паровоз, оборудованный плугом. В конце 1860-х годов при строительстве железных дорог отсыпка балласта производилась саморазгружающимся полувагоном с опрокидывающимся кузовом.
В 1879 году построен первый таранный снегоочиститель для борьбы с глубокими заносами. В том же году предложен роторный снегоочиститель. В 1880 году на Закаспийской железной дороге были механизированы путеукладочные работы. В 1887 году русский инженер И. Н. Ливчак (1839-1914) создал путеизмерительный вагон с механической записью состояния пути.
В СССР на железных дорогах широкое использование путевых машин началось в 1930-е годы, когда были созданы первые балластеры, путевые струги, снегоуборочные машины, путеукладчики на железнодорожном ходу. С 1940 по 1950-е годы спроектирован ряд новых машин: путеукладчик на тракторном ходу, балластёр (рис. 16), хоппер-дозатор, землеуборочная машина, снегоуборочная машина (рис. 17), щебнеочистительная машина [18].
Данный вид железнодорожной техники есть практически на каждой станции.
Одной из главных задач учителя перед экскурсией узнать о той технике, которая доступна для демонстрации школьникам при проведении экскурсии, ее технических характеристиках, таких как грузоподъемность, вылет стрелы, объем перерабатываемого или подаваемого щебня в минуту и т.д.
Рис. 16. Балластер
Рис. 17. Снегоуборочная машина
Рассказ о профессиях, так или иначе связанных со строительством и ремонтом железнодорожных путей (машинист железнодорожно-строительных машин, помощник машиниста, дорожный мастер, работник рельсо-сварочного предприятия, дефектоскопист, ковшевой, монтер пути, монтажник, обходчик, электрогазосварщик, электромонтер и т.д.), не должен звучать как перечень данных профессий. Каждая профессия должна занимать свое место в рассказе экскурсовода (сотрудника депо) или учителя.
После экскурсии на уроке обязательно необходимо уделить время подведению итогов. Вопросы к ученикам:
1) С какими простыми механизмами мы познакомились во время экскурсии? Где представлен рычаг? Какие простые механизмы используются в кране? (рычаг, подвижные и неподвижные блоки)
2) Для чего в кране используется подвижный блок?
3) Для чего в кране используется неподвижный блок?
4) Может ли стрела крана иметь большую длину, чем та, которая есть?
5) В каких механизмах широко представлена наклонная плоскость? Какой простой механизм напоминает транспортер для подачи щебня?
6) Какую полезную работу выполняет механизм, а какая работа является затраченной?
7) Что является источником энергии для строительных машин?
8) Как Вы думаете, почему строительные машины в основном используют двигатель внутреннего сгорания, а не электродвигатель? (Данный вопрос можно оставить как домашнее задание)
9) Где кроме строительных машин используются простые механизмы на железной дороге?
10) О каких профессиях шла речь во время экскурсии.
Возможно проведение небольшой викторины или игры-соревнования, кто больше вспомнит примеров экскурсионных экспонатов, простых механизмов, профессий.
Экскурсия на железнодорожную станцию (10 класс)
Цель экскурсии. Раскрыть прикладное значение законов кинематики и динамики в железнодорожном транспорте. Расширить знания учащихся о железнодорожных профессиях и особенностях их осуществления.
Железная дорога – динамично развивающаяся отрасль транспортной системы страны. С каждым годом все более новые и усовершенствованные локомотивы и вагоны выпускаются на вагоностроительных и локомотивных заводах. В то же самое время основные законы движения поездов, принципы формирования составов и устройства тормозных и амортизационных систем остаются неизменными уже несколько веков. Большая часть данных принципов основывается на законах механики, которые изучаются в школе.
В 10-м классе (в отличие от 7-9-х классов) раздел «Механика» изучается более подробно. Этот факт делает целесообразной заключительную обзорную экскурсию на железнодорожную станцию после изучения данного раздела. Здесь следует отметить, что такой экскурсионный объект является доступным во всех регионах РФ.
Экскурсионное занятие на железнодорожной станции не только систематизирует знания учащихся по механике, связывает теоретический материал с реальными примерами. Экскурсия привлекает внимание учащихся к широкому спектру профессий, связанных с железной дорогой. Помогает понять основные человеческие качества и психологические особенности, которыми обладают работники железной дороги.
Так как выбор объектов посещения тесно связан с изучаемым материалом, то важен анализ механических процессов и явлений, которые лежат в основе движения железнодорожного транспорта.
Железнодорожный транспорт разделен на две категории: пассажирский и грузовой. В отличие от других видов транспорта принципы движения и формирования составов на железной дороге зависит от категории поезда. Чтобы детально рассмотреть данное своеобразие, нужно обратиться к динамическим характеристикам движения поезда. На поезд и вагоны действуют динамические и статические силы, потому что на подвижной поезд действуют силы, различные по величине, направлению и времени действия. Для удобства расчетов все внешние силы, оказывающие влияние на движение поезда, объединены в три группы: F – сила тяги; W – силы сопротивления движению; В – тормозящие силы.
В расчетах тяги пользуются или полным значением этих сил, выраженным в [кН], или их удельной значением, отнесенных к единице массы поезда. Сила тяги создается двигателем локомотива во взаимодействии с рельсами, приложена к движущим колесам и всегда направлена в сторону движения поезда. Ее значение регулируется машинистом, который управляет локомотивом, и именно с помощью этой силы происходят взаимодействия вагонов и локомотива.
Кроме динамических характеристик локомотива важно учитывать статические силы взаимодействия вагонов. Прежде всего, нужно отметить существенную разницу между грузовыми вагонами и пассажирскими – это наличие в пассажирских вагонах противоударных буферов, благодаря которым пассажирский состав всегда несколько растянутый. Буферы были установлены для комфорта пассажиров с целью уменьшения поперечных колебаний состава. Эти буферы минимизируют потери энергии движения, превращая соударения вагонов в абсолютно упругие.
Еще одно различие между пассажирскими и грузовыми вагонами – это разная система тормозов. В пассажирских вагонах стоят электрогидравлические тормоза, благодаря чему скорость реагирования тормозов с момента поворота ручки торможения – минимальна. Поэтому пассажирские вагоны тормозят равномерно и практически одновременно. В грузовых вагонах стоят гидравлические тормоза, которые тормозят друг за другом, начиная с локомотива. Так как последние вагоны тормозят после впереди расположенных, то для предупреждения катастрофы последние вагоны ставят легкими или пустыми. Это явление связано с понятиями инерции и массы. У тяжелых вагонов момент инерции больше, а, значит, они дольше других тормозят и могут «раздавить» предыдущие вагоны. Но такая система торможения стоит на грузовых составах вынужденно. Благодаря неодновременному торможению также происходит легкий наезд вагонов друг на друга и можно услышать характерный грохот. Такое «сложение гармошкой» грузового состава способствует уменьшению нагрузки на локомотив и сцепные устройства вагонов при старте.
При подготовке к экскурсии уместно учащимся решить задачу на определение силы тяжести подвижного состава из 25 вагонов по 60 тонн каждый, учитывая массу пустых вагонов (9 тонн) и не считая массы самого локомотива. Итак, на состав будет действовать сила тяжести 14,9 МН. Продолжением решения задачи будет задание на определение мощности локомотива, способного сдвинуть с места этот состав при табличном коэффициенте трения скольжения металла о металл.
Локомотив, трогаясь, сам «выдергивает» вагоны по одному из стоящего состава. На стоящий состав действует сила трения покоя, а на движущийся вагон действует сила трения качения, которая в сотни раз меньше чем сила трения покоя и сила трения скольжения, и поэтому локомотиву приходится преодолевать силу трения покоя только одного вагона, а не всего состава целиком, преодолевая силу не в 14,9 МН а в 25 раз меньше из-за того, что перед сдвигом второго вагона, первый вагон уже будет катиться и преодолевать только силу трения. И так каждый следующий вагон. Пружины в автосцепке будут помогать расталкиваться вагонам, а, значит, значение необходимой силы тяги будет еще меньше.
Трение и закон сохранения энергии связаны переходом механической энергии в тепловую. В точке контакта колеса с рельсом кинетическая энергия превращается в тепловую, что может привести к смещению металла на поверхности качения колеса при проскальзывании (появление навара) или образования овальной площадки (ползуна) при скольжении. Поэтому максимальная величина тормозной силы ограничивается условиями сцепления колес с колеей. Итак, чтобы избежать юза максимальное тормозное нажатие принимают таким, чтобы тормозная сила не превышала силу сцепления колеса с колеей [60]. При резком торможении вагоны могут «прикипеть» к колее. Для наглядности примера рационально в классе заранее решить задачу с заданной длиной, массой состава и коэффициента трения по определению тормозного пути и начальной скорости.
Для учащихся физико-математических и профильных классов полезно рассказать о силе Кориолиса, возникающей из-за вращения Земли.
Движущийся состав движется не только поступательно. Одновременно он является колебательной системой, совершающей, как продольные, так и поперечные колебания в горизонтальной и в вертикальной плоскостях. Подвижной состав поезда имеет рессоры, которые смягчают движение вагона по железным рельсам. Но мало кто знает, что вагон колеблется не только на рессорах, как обычный легковой автомобиль, но и рельсы, благодаря своим упругим свойствам, тоже совершают колебания. Именно благодаря этим колебаниям рельс и вагонов на рессорах возможно совпадение частот колебания и возникновения такого явления как резонанс, что приводит к сходу вагона или всего состава с рельсов. Чем выше скорость поезда, тем больше шансов получить резонанс от этих колебательных процессов [53].
Для предотвращения схода с рельс подвижного состава вагоны имеют разную загруженность. Так, для уменьшения колебаний рельс плацкартные вагоны, рассчитанные на 54 пассажира, ставятся во главе и в хвосте состава, а купейные (36-40 мест) и спальные (18-20 мест) вагоны стоят в середине состава. В грузовых составах, даже с однотипными вагонами, грузоподъемность вагонов должна быть разная. Например, вагоны-хопперы 17-715 и 19-Х752 для перевозки цемента имеют грузоподъемность 67 тонн и 62 тонн соответственно [12].
Из-за переменной инертности цистерн с жидким грузом и колебаний жидкости в цистерне в конце состава с цистернами ставят пустой или наполовину заполненный товарный вагон или вагон-хоппер для предотвращения схода с рельсов состава.
Явление инерции и взаимодействия тел можно наблюдать на сортировочных горках, где вагоны движутся без поддержки движущей силы локомотива. Здесь проявление законов сохранения импульса и энергии очевидно. Горка представляет собой простой механизм, а именно наклонную плоскость. Подъемный механизм грузового крана представляет собой систему блоков, дающих выигрыш в силе.
Проявление закона Гука наглядно демонстрируют связанные два узла вагона: тележка и автосцепное устройство. В каждом автосцепном устройстве внутри есть пружина, которая предназначена для амортизации остановки вагонов и имеет очень большую упругость (жесткость).
Существует классификация локомотивов по типу силовой установки: тепловозы и электровозы, которые также разделяются по видам перевозок: грузовые, пассажирские, маневровые. Основные из них:
• электровозы:
– пассажирские (ЧС2, ЧС2Т, ЧС4Т, ЧС6, ЧС7, ЧС200, ЭП1М, ЭП2К);
– грузовые (ВЛ10, ВЛ11, ВЛ60 и ВЛ80, 2ЭС5К/3ЭС5К, 2ЭС4К, 2ЭС6);
• тепловозы:
– грузовые (2ТЭ10, ТЭ116, М62, ТГ16, 2ТЭ25А, 2ТЭ116У);
– пассажирские (ТЭП70, ТЭП70БС);
– маневровые: ТЭМ2, ЧМЭ-3, ТЭМ7А, ТЭМ18Д.
В таблицах 1-4 представлены основные технические характеристики электровозов и тепловозов.
Данные таблиц целесообразны для анализа и расчета подвижного состава или маневрирования тепловоза. При самостоятельном составлении и решении физических задач по механике использование этих цифр поможет школьникам сформулировать условие физической задачи, максимально приближенной к реальным условиям. А составленные и с объяснениями решенные учащимися задачи дают возможность учителю оценить их личностные, предметные и метапредметные результаты при изучении «Механики».
Таблица 1
Основные технические характеристики пассажирских электровозов
Таблица 2
Основные технические характеристики грузовых электровозов
Таблица 3
Основные технические характеристики тепловозов
Таблица 4
Основные технические характеристики грузовых тепловозов
Профессии, связанные с железной дорогой классифицируют следующим образом:
• вокзальные профессии: дежурный по станции, диспетчер, сервисный и обслуживающий персонал (кассиры, медицинский персонал, работники общественного питания, носильщики, грузчики и т.д.);
• станционные профессии: путевые специалисты, электромонтер, электромеханики сигнализации, централизации и блокировки, вагонники;
• путевые специальности: машинист, помощник машиниста, начальник поезда, проводник.
Кроме железнодорожного спектра профессий, на вокзалах и станциях можно встретить людей различных технических профессий.