ученица 9 класса Павлова Татьяна

СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА ПРИ
ПОСОЛЬСТВЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ В ТУРЕЦКОЙ
РЕСПУБЛИКЕ (г. Анкара)
Авторы:
ученица 9 класса Павлова Татьяна;
ученица 8 класса Ковальская Руслана
Техническое сопровождение:
ученица 10 класса Сарпкайя Бесте
Руководители :
учитель физики Тищенко О.Д.,
учитель биологии Кузнецова И.В
Консультанты:
Павлов Игорь Анатольевич(кандидат физико-математических наук, научный
сотрудник «Лаборатории ультрабыстрой оптики и лазеров». Билькент
университет , Анкара, Турция)
Ковальская Евгения Александровна(кандидат химических наук , научный
сотрудник «Лаборатории квантовой электроники». Билькент университет ,
Анкара, Турция)
Роль мускулатуры
сохраняет
равновесие тела
противодействие
внешним силам
придает
форму телу
обеспечивает
стабильное
положение тела в
пространстве
мышцы гортани и
языка участвуют н
воспроизведении
членораздельной
речи
МУСКУЛАТУРА
удержание
определенной
позы тела
связана с функцией
отдельных органов
дыхания,
пищеварения,
кровообращения
перемещение
тела или его
частей в
пространстве
Проблема создания искусственных мышц
Зачем нужна
искусственная
мышца, ведь
можно
«накачать»
свои?
РУТА- мысленный образ двух
очень любопытных девочек РУсланы и ТАтьяны
Современные технологии
позволили создать роботов. А
как же роботы будут
двигаться? Поиск ответа на
этот в порос и привел к
созданию искусственных
мышц, область применения
которых практически
безгранична…
Бесте - человек,
который знает …
Цели, задачи, проблемы
Объектная область: физика и биология
Объект исследования: искусственная
мышца
Предмет исследования: возможность
создания искусственных мышц и изучения
их свойств
Цель работы: выявить возможность
создания и целесообразность
применения искусственных мышц
Задачи: 1) познакомиться с технологией создания искусственных мышц;
2) выявить сходства и отличия искусственных мышц и натуральных мышц;
3) выявить области применения искусственных мышц;
4) провести эксперимент “Получение и изучение свойств искусственных мышц”
Динамика развития применения
5 шаг
искусственных мышц
4 шаг
3 шаг
2 шаг
1 шаг
Строительство
роботов грузоподъемщиков
Создание экзоскелетов в
различных сферах
применения
Подъем весов
и выработка
механической
энергии
Создание
имплантатов
Безграничное
множество
применений
Из чего же
делают
искусственные
мышцы?
Это дорого?
Сплавы
Преимущества
1. Сплав золота с
кадмием
Эффект памяти формы
2. Сплав никеля с
титаном
(Нитинол)
Восстановление
первоначальной формы
при нагревании,
недорогой и
коррозионно-устойчив
Недостатки
Быстро теряет
свои свойства, т.к
выдерживает
ограниченное
число
деформационных
циклов
3. Полимерные
Сокращаются при подаче Условное
ленты из углерода, электричества и
«слабые»
кислорода и фтора восстанавливаются при
его
прекращении(сходные с
мышцами людей)
4. Полимеры
Эффект памяти,
устойчивы к перепадам
температуры и
биосовместимы
Не выдерживают
очень высоких
температур
А какие же
бывают
полимерные
соединения, и
где их можно
увидеть в быту?
О, их очень
много…
ПОЛИМЕРНЫЕ ВОЛОКНА
ФОРМУЛЫ
КАПРОН
(полиамидное волокно)
НЕЙЛОН
(полиамидное волокно)
ЛАВСАН
(полиэтилентерифталат)
ПВДФ
(поливинилиден фторид)
[-CH2-CF2-]n
Наука не стоит на месте: учёные продолжают
совершенствовать полученные полимерные
материалы путем добавления углеродных соединений
(графен, углеродные нанотрубки, графит и т.д.).
Благодаря их физико-химическим свойствам можно
заметно улучшить работу мышц.
А. Углеродные нанотрубки
Б. Графен
В. Графит
Интересно, можем
ли мы создать
искусственную
мышцу сами, а то
портфель очень
тяжелый, а до
школы далеко?
Конечно
можете!
А где взять
исходный
материал?
В качестве
объекта
исследования я
вам предлагаю
приобрести леску
марки «Crypton»
Почему же
«Crypton»?
Что в ней
особенного?
Свойства лески Crypton
Легкодоступная,
приемлемая
по
цене.
Состав
лески
–
фторуглеродный полимер или ПВДФ; использованный диаметр лески
– 0,12 и 0,3 мм.
Поливинилиден фторид – это полукристаллический термопласт,
обладающий отличными физическими и химическими свойствами.
ПВДФ принадлежит к классу фторированных полимеров, наиболее
известным представителем которых является политетрафторэтилен
(торговое название Teflon).
ПВДФ характеризуется очень хорошими механическими свойствами
и высокой термостойкостью.
Его
используют
в
полупроводниковой,
химической
и
фармацевтической промышленности, гальванике, производстве
бумаги и целлюлозы, автомобильной промышленности и
водоподготовке.
Благодаря отсутствию примесей, полимер является
физиологически безвредным и не токсичным.
ПВДФ
характеризуется
чрезвычайно
высокой
устойчивостью к старению от УФ-лучей и высоким
сопротивлением
к
воздействию
ионизирующей
радиации.
Прежде чем
начинать
эксперимент, надо
подробно
познакомиться с
физическими
свойствами лески
Свойства
Плотность, г/см3
Прочность при растяжении, МПа
Температурный диапазон применения,
°С
Ударная вязкость, кДж/м2
Температура плавления, °С
Значения
1,78
56
(-30) – (+140)
без разрыва
170-172
Точка размягчения, °С
140
Теплопроводность, В/(мК)
0,14
Удельное сопротивление, Омхсм
>1013
ПВДФ химически устойчив к большинству концентрированных
неорганических кислот. Пассивен к ароматическим и алифатическим
углеводородам, органическим кислотам, спиртам. Может взаимодействовать с
некоторыми кетонами, высококонцентрированными щелочами. Начинает
разлагаться при 350°С, образуя токсичные фторсодержащие вещества.
Леска есть, а
что дальше?
Мы не можем
обойтись без
помощи
консультантов
Ковальская Е.А и Павлов И.А
Ковальская Руслана и Павлова Татьяна
Как мы
выбирали
объект…
Выбор объекта
Физический принцип действия мышечного волокна
базируется на увеличении крутящего момента скрученной
лески при увеличении её диаметра, вызванного
нагреванием. Возможны два варианта изготовления
волокна.
В первом случае
направление завивки лески
противоположно направлению крутящего момента.
Нагревание волокна вызывает его удлинение.
Возможно создание
мышцы по другому
принципу работы
Выбор объекта
Во втором случае, направление завивки лески совпадает с
направлением крутящего момента. В этом случае, нагревание
волокна вызывает его сокращение. Второй случай представляется
наиболее удобным для практического изготовления, поскольку
завивка лески в направлении, совпадающем с направлением
крутящего момента, автоматически происходит при закрутке
растянутой лески.
Ура! Объект
исследования
выбран,
осталось создать
прибор.
Интересно,
как же он
устроен?
Основным элементом прибора является электродвигатель
постоянного тока, закрепленный на некоторой высоте с помощью
штатива. Регулируемый источник питания позволяет изменять
частоту вращения двигателя и, следовательно, вращательное
усилие, создаваемое двигателем.
Завиваемая леска
прикрепляется одним концом к валу
электродвигателя, а вторым концом к стабилизирующему грузику,
который не позволяет леске спутываться в процессе завивки. Вес
грузика подбирался экспериментально.
На фотографиях
изображена завитая леска,
т. е. готовое мышечное
волокно, помещённое
внутри нихромовой
спирали, что позволяет
эффективно исследовать
его свойства при
нагревании, используя тот
же источник питания
постоянного тока.
Данные, приведенные в таблице:
соотношение длин в свободном и
закрученном
состояниях
для
лесок
диаметром 0,12 мм и 0,3 мм составляет 5,15
и 7,22 соответственно. Более тонкая леска
(0,12 мм) представляется более удобной
для
изготовления
более
тонких
искусственных
мышечных
волокон.
Однако, процесс изготовления мышечного
волокна
из
тонкой
лески
более
трудоемкий. Поэтому, исходя из нашего
опыта, работа с леской большего диаметра
(0,3 мм) более удобна в исследовательских
целях.
Леска диаметром 0,12 мм
Первым этапом
исследования было
измерение соотношения
№
В свободном
длин лески в свободном и опыта состоянии
завитом состояниях.
(см)
Эта информация
необходима для
последующих этапов
1
56,5
изготовления мышечного
2
50,6
волокна.
3
51
Леска диаметром 0,3 мм
В
закрученном
состоянии
(см)
В свободном
состоянии
(см)
В
закрученном
состоянии
(см)
10,8
54
7,5
10
52
7
9,8
55,8
7,9
Описание практической части работы
Для исследования зависимости сокращательной
способности мышечного волокна от температуры
нами была использована тонкая нихромовая
спираль, изготовленная специально в целях
выполнения данной работы.
2.
В этом случае
леска предварительно (перед
закруткой) протягивалась внутри нихромовой
спирали. После этого включали электродвигатель,
закручивающий леску, и мышечное волокно
образовывалось внутри нихромовой спирали.
3.
После этого, прикладывая напряжение к концам
нихромовой спирали, можно изменять температуру
мышечного волокна, а следовательно,
и силу
натяжения мышцы.
1.
Результаты эксперимента
Напряжение (В)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
Температура (оС)
21
23
26
31
36
42
50
57
71
79
92
109
Сила тока (А)
0
0,04
0,1
0,16
0,22
0,28
0,34
0,39
0,45
0,51
0,56
0,62
Предварительно мы проградуировали нихромовую
спираль. Для этого внутрь спирали поместили
термодатчик и, изменяя напряжение на концах
спирали, получили зависимость температуры внутри
спирали от напряжения.
Данные этой зависимости приведены в таблице.
Вывод: cопротивление спирали по закону Ома
составляет 8,87 Ом
График зависимости
относительного
сокращения от
температуры
приведен на рисунке
Относительное сокращение, мм
Зависимость сокращения мышечного волокна от
температуры
После создания
мышечного волокна
1,4
внутри нихромовой
спирали к нему
1,2
прикреплялся грузик
массой 298 г. При этом
1,0
длина мышечного
0,8
волокна при комнатной
температуре составляла
0,6
12,4 см.
0,4
0,2
0,0
20
40
60
80
100
0
Температура, С
120
Оценка коэффициента полезного действия созданного прибора
1. Нагревание волокна.
2. Изменение его
длины(∆h) –0,009 м.
3. Масса(m) груза,
подвешенного на
волокно - 0,293 кг.
4. Время нагревания
спирали(t) - 69 сек.
5. Через волокно
пропустили ток
напряжением(U) - 5 В и
силой тока(I) - 0,54 А.
Найти КПД(ƞ) волокна
искусственной мышцы .
ƞ=
%
= mg∆h
ƞ=
ƞ=
≈ 0.014%
Какая же мышца лучше:
искусственная или
натуральная?
Однозначного ответа
нет.
Обратите внимание на
данные, приведенные
в таблице
“Сравнительные
характеристики
искусственной и
человеческой мышцы”
Если по данной
характеристике
преобладает
искусственная
мышца, то цветзеленый, а если
человеческая красный.
Наименование
характеристики
Мышцы человека
Искусственная
мышца
Число циклов работы
>10
<10
Скорость реакции, сек
от мсек до сек
от сек до мин
Активное удлинение %
>20
<10
Удельная работа, Дж/кг
10-100
До 1000
Удельная мощность, Вт/кг
10²-10³
до 10²
Отличная
Хорошая
Управляемость
Пути преодоления проблем:
1. Оптимальные составы материалов.
2.Новые методы обработки материалов.
3.Получения изделий из материала с ЭПФ.
4.Специальные способы нагрева и охлаждения материала с
ЭПФ.
5.Улучшения характеристик искусственной мышцы можно
добиться на стадии конструирования искусственной мышцы
путем применения оригинальных конструкторских решений.
Выводы и предложения
1. Были изготовлены и исследованы искусственные мышечные
волокна из нейлоновой рыболовной лески методом
скручивания.
2. Максимальное
относительное
сокращение
полученного
мышечного волокна (с весом поднимаемого груза 298 г)
составило 12% при нагреве волокна до температуры 109 о С.
3. Максимальный КПД созданного устройства - 0,02%.
4. Основные преимущества лески “Crypton”, используемой в
качестве
искусственного
мышечного
волокна,
биосовместимость,
стабильность
в
работе
(отсутствие
деградации в процессе выполнения большого количества
циклов растяжение - сжатие), большая развиваемая удельная
мощность, низкая цена и доступность материала.
5. Основные недостатки: замедленная реакция относительно
начала подачи сигнала и низкий КПД, что обусловлено
невозможностью быстрого подвода/отвода тепла к волокну. Оба
недостатка
могут
быть
устранены
при
создании
токопроводящего волокна.
Для этого мы предлагаем создание мышечного волокна из
полимерного материала, наполненного углеродными нано
трубками.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
Carter S. Haines et al. Artificial Muscles from Fishing Line and
Sewing Thread. Science, Vol. 343, Issue 6173, pp. 868-872
(2014)
Bar-Cohen, Y., Electroactive Polymers as Artificial Muscles: A
Review. Journal of Spacecraft and Rockets 2002,39 (6), 822-827.
Allen, M. J.; Tung, V. C.; Kaner, R. B., Honeycomb Carbon: A
Review of Graphene. Chemical Reviews 2010,110 (1), 132-145.
Ajayan, P. M.; Zhou, O. Z., Applications of Carbon Nanotubes.
In Carbon Nanotubes: Synthesis, Structure, Properties, and
Applications, Dresselhaus, M. S.; Dresselhaus, G.; Avouris, P.,
Eds. Springer Berlin Heidelberg: Berlin, Heidelberg, 2001; pp
391-425.
Chung, D. D. L., Review Graphite. Journal of Materials Science
37 (8), 1475-1489.