Исследование зависимости скорости истечения сыпучих веществ от размера частиц

Целью данной статьи является выявление связи между размером крупинок и скоростью их истечения при постоянном диаметре воронки.

Гипотеза: Я предполагаю, что такая связь имеет место и выглядит следующим образом: чем меньше размер крупинки, тем большее их количество одновременно попадет в воронку, тем меньше времени тратится на их истечение и, соответственно, тем большую скорость они приобретут. Поскольку выбранные мною виды круп обладают неодинаковыми размерами крупинок, значит, у каждой крупы должна быть своя скорость истечения.

Поскольку данная тема мало изучена в литературе, я планирую решить эту задачу путем эксперимента.

Все мы ежедневно сталкиваемся с процессом приготовления пищи, и очень часто этот процесс усложняется маленькими неприятностями. К одной из таких проблем относится просыпание сыпучих пищевых продуктов, таких как сахар, крупы, мука на пол или на полки шкафов. И у нас возникают вопросы, почему сквозь небольшое отверстие килограмм манки просыпался за секунды, в то время как два килограмма фасоли стоят в пакете с огромной дыркой и не рассыпаются? Какой может быть размер у отверстия, чтобы крупа не просыпалась? Или как зависит от наполняемости пакета количество просыпавшегося продукта? И вообще от чего зависят все эти процессы? Если задуматься над этими вопросами, изучить их и проанализировать полученные результаты, можно смело сказать: когда манка высыплется из пакета, а когда нет, и с какой скоростью это произойдет.

Именно поэтому в данной работе планируется провести исследование зависимости скорости истечения сыпучих пищевых продуктов от вида крупы. В качестве исследуемых круп мною были выбраны: фасоль, горох, рис, гречка, пшено.

Методика исследования

Для проведения эксперимента необходимо будет взять одинаковое количество выбранных видов круп, измерить размер крупинок выбранных экземпляров, определить время, в течение которого крупа истечет через отверстие воронки, а затем рассчитать скорость их истечения. Полученные результаты необходимо проанализировать, а затем представить в табличном и графическом виде. Результаты данного эксперимента углубят наши знания о свойствах сыпучих пищевых продуктов.

Проведение эксперимента

Оборудование: крупы, весы, линейка, штатив, пластиковая бутылка (1,5), секундомер, чашка для ссыпания крупы.

Поскольку было выдвинуто предположение о том, что между скоростью истечения крупы и размером крупинок имеется связь, в первую очередь необходимо определить размеры крупинок представленных видов круп: фасоли, гороха, риса, гречки, пшена. Для этого я воспользовался линейкой и замерил каждую крупинку по самой длинной стороне. Результат измерений выглядит следующим образом:

На втором этапе работы необходимо отвесить 500 грамм каждого вида крупы, для этого я воспользовался кухонными весами.

Далее необходимо установить оборудование. Для этого к штативу подвешивается пластиковая бутылка с отрезанным дном, горлышком вниз (крышка закручена). Горлышко и является воронкой. Под бутылкой устанавливается чашка для ссыпания крупы.

Следующим шагом является определение времени истечения крупы. В бутылку насыпается крупа. В момент, когда откручивается крышка, включается секундомер, а когда последняя крупинка высыпается, секундомер останавливается. Все этапы фотографируются.

Для каждого вида крупы опыт повторяется три раза. Затем определяем среднее время истечения для каждой крупы.

Средняя скорость истечения определяется как отношение количества крупы к времени истечения. Полученные данные заносятся в таблицу, зависимость скорости истечения от размера крупинок отображается в графическом виде.

В ходе проведения исследования было выдвинуто предположение о том, что скорости истечения гречки и риса будут приблизительно равны, поскольку размеры крупинок отличаются незначительно.

Вид крупы Количество, г Время истечения, с Среднее значение времени истечения,

Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3

Пшено 500 5,18 5,2 5,5 5,29

Гречка 500 5,9 5,88 5,87 5,88

Рис 500 5,91 6,0 5,87 5,92

Горох 500 8,2 7,62 7,89 7 ,9

Фасоль 500 21,17 22 20 21,0

По результатам проведенных экспериментов стало ясно, что время истечения увеличивается в следующей последовательности: пшено - гречка - рис - горох - фасоль. Особо следует отметить, что при определении времени истечения фасоли, лишь несколько зерен высыпалось самостоятельно. Для того, чтобы высыпалось остальное количество, по бутылке необходимо было слега постукивать.

Если рассматривать внимательно фотографии, то мы видим, что гречка, пшено, рис, высыпались непрерывной струей, а горох и, в особенности, фасоль, отдельными частями.

Определив время истекания необходимо найти значение скорости истечения крупы. Для этого нужно поделить количество крупы в граммах на время истечения крупы в секундах, то есть мы узнаем, сколько грамм крупы высыпается в одну секунду.

Вид крупы Количество, г Среднее значение времени истечения,Средняя скорость истечения г/с

Пшено 500 5,29 94,52

Гречка 500 5,88 85,03

Рис 500 5,92 84,46

Горох 500 7 ,9 63,21

Фасоль 500 21,0 23,81

По результатам проведенного исследования видно, что средняя скорость истечения крупы увеличивается в следующей последовательности: фасоль – горох – рис – гречка – пшено. Наиболее наглядно это видно на графике.

Проанализировав полученные данные, я пришел к выводу, что гипотеза о зависимости скорости истечения сыпучих продуктов от вида крупы подтвердилась, то есть размер крупинок действительно влияет на скорость истечения. Из результатов работы видно, что чем больше размер крупинок, тем меньше скорость истечения крупы.

При более глубоком подходе к задаче можно провести исследование зависимости скорости истечения от массы крупинок, от диаметра воронки, от наполняемости сосуда.

Поведение круп при истечении из емкостей, вероятно, очень похоже на поведение при истечении различных строительных материалов: песка, щебня, керамзита, опилок и т. д.

Вероятно, что при погрузке этих материалов в вагоны для их транспортировки, при замешивании бетона, при изготовлении древесно-стружечных плит, существует проблема того, какие необходимы по размеру отверстия в воронках, через которые истекают данные вещества. Размер отверстия в воронке должен быть таким, чтобы обеспечивалась максимально быстрое истечение и в то же время равномерное, и, кроме того, должна быть возможность дозировать высыпающиеся вещества.

Если рассматривать проблему еще шире, то можно сказать, для конструирования многих машин, механизмов и приспособлений очень важно знать скорость истечения веществ из отверстий. В космическом корабле скорость истечения продуктов сгорания топлива обеспечивает набор скорости самим кораблем; скорость струй воды, выбрасываемых из водометных устройств катеров позволяет этим катерам набирать большую скорость; правильно подобранный размер и количество отверстий на солонке позволит нам не пересолить суп; верно рассчитанный размер отверстия воронки для песка позволит замешать качественный бетон на стройке.

Перечислять примеры можно еще долго, но мне ясно, что мое исследование стало началом для большой работы.