Исследовательская работа по физике

ПРОЧНОСТЬ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ПАКЕТОВ.

Автор работы:

Ляпустин Никита Сергеевич, ученик 9 класса

Руководитель:

Субхангулов Ришат Идеатуллович, учитель физики

г. Бирск

2016 год

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………3

ИЗ ИСТОРИИ………………………………………………………………….4

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ………………………………………………………..9

1. Теоретическая часть ………………………………………………………9

2. Экспериментальная установка ………………………………………….10

3. Измерения ...…………………………………………………………......10

4. Анализ результатов эксперимента ……………………………….……..11

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………...19

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………..………….21

ПРИЛОЖЕНИЯ ……………………………………………………………..22

ВВЕДЕНИЕ

Мы все периодически ходим в магазины за покупками и часто приобретаем полиэтиленовые пакеты. Некоторые из них можно потом еще долго использовать, а некоторые сразу приходят в негодность. Сказанное обозначило проблему нашего исследования: каково качество реализуемых в розничной торговой сети полиэтиленовых пакетов; соответствует ли действительности максимальная нагрузка, указанная на них.

Объект: полиэтиленовый пакет.

Предмет: механические свойства полиэтиленовых пакетов.

Цель: исследование механических свойств полиэтиленовых пакетов.

Задачи:

• Ознакомиться с историей появления полиэтиленовых пакетов;

• На основе социологического опроса выявить наиболее используемые пакеты;

• Провести исследования по изменению механических свойств ;

• Проследить изменения механического напряжения исследуемых образцов при построении диаграммы растяжения;

• Определить максимальную нагрузку для исследуемых пакетов;

• Доказать экологическое преимущество биопакетов.

• Систематизировать полученные в ходе исследования результаты.

Методы исследования: интервьюирование, измерение, аналогия, анализ, сопоставление.

Практическая значимость: Результаты данного исследования могут быть использованы покупателями при выборе полиэтиленовых или бумажных пакетов, в качестве материала по экологическому просвещению учащихся и родителей, можно использовать на классных часах, для различных рекламных акций в торговых сетях города и экологических движениях, нацеленных на приобретение биопакетов, а также учащимися в работе физических кружков и факультативов.

ИЗ ИСТОРИИ.

Рожденные в СССР еще помнят, с чем жители нашей страны ходили в магазин всего каких-то двадцать лет назад. А молодому поколению уже надо объяснять, что такое веревочная авоська, которая нередко упоминается в советской литературе, для чего она была нужна, как была устроена и почему так называлась.

Многое изменилось у нас в стране за несколько десятилетий. И в частности, разнообразные веревочные, тряпичные и брезентовые сумки полностью и бесповоротно исчезли из нашего обихода. Их заменили пластиковые пакеты.
Полиэтиленовые пакеты — весьма привычный в обиходе предмет. Сегодня уже никого не удивляет свойство полиэтиленового пакета выдерживать нагрузки весом до десятков килограммов и само назначение пакета. Дело в том, что производству полиэтиленовых пакетов, привычных нам предшествовал ряд открытий, экспериментов, и себестоимость данного изделия некогда была очень высокой.

-------------------------------------------- В конце XIX века немецкий ученый Ганс фон Пехманн обнаружил на дне пробирки похожий на воск осадок. Он и не догадывался о важности этого материала. Ему не дано было узнать, что эта субстанция – предтеча того, из чего сегодня делается тара для шампуней, упаковка для бутербродов и оплетка для проводов. Совершенно случайно он создал полиэтилен, один из самых противоречивых и широко распространенных материалов в мире.

Продукт, полученный фон Пехманном в 1899 году, был практически идентичен современному аналогу. Двое коллег Пехманна – Ойген Бамбергер и Фридрих Тширнер – назвали его полиметиленом. Но, в отличие от полиэтилена, который достаточно легко приспособить для производства как особо прочных пластиков, так и киноленты, это вязкое смолистое вещество практического применения не нашло. Из него мало что делали.

Подобно будущим горам пластиковой упаковки, результаты эксперимента фон Пехманна были надежно погребены. И лишь через 34 года ими воспользовались люди, которые официально считаются изобретателями полиэтилена.

В XIX веке был изобретен целлулоид, который впоследствии использовался в производстве кинопленок. Тогда это была не особо эластичная субстанция и имела огромный минус – она была взрывоопасна. Чуть позже, в 1911 году был создан целлофан, который от целлюлозы отличался большей эластичностью, прозрачностью, но был очень дорог в производстве. Через пару лет компания Du Pont наладила промышленное производство целлофана.

В 1927 он становится водонепроницаемым и активно внедряется в сферы упаковки пищевых продуктов. Вплоть до 1957 года целлофан был основным компонентом для изготовления легких пакетов, которые не обладали особой прочностью.

Полиэтилен – в том виде, в котором он известен нам – на самом деле был внедрен в 1933 году. Это дело рук Эрика Фосета и Реджинальда Гибсона из химического треста ICI. Проснувшись однажды утром, они решили поэкспериментировать с газами под высоким давлением и заметили, что один из узлов их агрегата выглядел так, как будто его обмакнули в парафиновую смазку. Краткие записи Гибсона, сделанные им в тот день в одной из лабораторий ICI в Нортвиче (Чешир), контрастируют с важностью изобретения: "В колбе обнаружен воскоподобный осадок".

Два года спустя в ICI были созданы мощности для промышленного производства полиэтилена, а вскоре после этого он был использован в производстве телефонного кабеля, впервые опоясавшего земной шар. Во время Второй мировой войны полиэтилен боготворили как критически важный компонент для производства радаров. И лишь в период расцвета британских супермаркетов, который пришелся на 1950-е годы, этот материал вошел в массовое употребление. Вклад этих магазинов в распространение полиэтилена с тех пор постоянно навлекает на них критику.

Субстанцию получают из сырой нефти посредством так называемого "крекинга". В результате образуются продукты двух основных форм: "твердые" и "мягкие". Полиэтилен первой разновидности используется для покрытия труб и изготовления топливных баков, второй – для производства оболочки для колбасы и изоляции телевизионного кабеля.

Вскоре в США начато первое промышленное производство полиэтиленовых пакетов. Полиэтилен получили путем улучшения качества целлофана после многочисленных экспериментов и опытов. Удачное изобретение позволило продлить свежесть хлеба в магазинах США, и в первые годы истории полиэтиленового пакета он использовался для упаковки хлебобулочных изделий. Вскоре производство полиэтиленовых пакетов в США и Европе стало заметно расширяться. Полиэтилен отличало высокое качество, прочность, эластичность. По сравнению с бумажными, полиэтиленовые пакеты сохраняют нужную влажность, и при использовании полиэтиленового пакета для переноски покупок он является наиболее удобным вариантом. Бумажные пакеты являются главным конкурентом полиэтиленовых пакетов. Основное преимущество бумажных пакетов состоит в их красочном, нарядном виде. Бумажный ламинированный пакет способен выдерживать вес до 8 кг. И по себестоимости тогда он был дешевле.

Первые полиэтиленовые пакеты были однообразными, стандартными.

Обычный фасовочный пакет впервые был произведён в США в1957 году и был предназначен для упаковки сэндвичей, хлеба, овощей и фруктов. К 1966 году в такие пакеты фасовалось около 30 % хлебо-булочных изделий, производимых на территории этой страны. К 1973 г. объем производства пакетов в Западной Европе составил 11,5 млн. штук. В 1982 г. в крупнейших торговых центрах в продаже появляются полиэтиленовые пакеты с ручкой (т. н. «майки»). К 2002 г. суммарный общемировой объем выпуска полиэтиленовых пакетов исчислялся в диапазоне от 4 до 5 трлн. штук в год.

Ну а в нашей стране красивые заграничные пакеты даже одно время были предметом спекуляции у фарцовщиков, наряду с жевательной резинкой и другими атрибутами капитализма. В настоящее время пластиковый пакет стал, пожалуй, самым распространенным предметом обихода.

Когда пластик вошел в нашу повседневную жизнь, это казалось революцией — удобно, практично, дешево. Пластик заменил многие другие материалы. Десятки миллиардов полиэтиленовых пакетов используются нами ежегодно.

Обычные полиэтиленовые пакеты с ручками, как правило, недолговечны, но и одноразовыми их назвать нельзя. Они очень дешевы — стоят от рубля до пяти, а порой выдаются к более серьезной покупке бесплатно. Но при этом они выдерживают как минимум несколько походов в магазин, а при бережной эксплуатации могут служить месяцами. Больше от простых пакетов ничего не требуется. Однако если нанести на пакет, к примеру, логотип фирмы или магазина с адресом или другими реквизитами, то пластиковый пакет превращается в носитель рекламы. По этой причине широкое распространение получила оптовая продажа полиэтиленовых пакетов, являющихся заготовками для нанесения изображений и любой другой информации методом шелкографии.

Не будет преувеличением сказать, что полиэтиленовые пакеты сегодня явно преобладают среди средств упаковки и переноски покупок, товаров, подарков и всяческих мелочей до 3-5 килограммов весом. И производство полиэтиленовых пакетов неуклонно растет.

При всех достоинствах пластиковые изделия обладают одной важной особенностью — они производятся из невосстанавливаемых природных ресурсов (нефть, уголь, газ) и их долговечность — угрожает экологии планеты.

В последнее время появляются статьи, в которых пластиковые пакеты признаются фактором загрязнения окружающей среды, из-за которого птицы получают увечья, а морские котики, черепахи и киты массово вымирают.

Во многих странах, таких как Бангладеш, Индия и Китай, выпуск пакетов был существенно сокращен, а в Ирландии власти ввели налог на полиэтиленовые пакеты, чем в несколько раз уменьшили их потребление.

О серьезности проблем с экологией говорят следующие факты — тысячи жителей Руанды целый рабочий день потратили на очистку территории от пластиковых пакетов. "Субботник" проводился по инициативе властей страны, пытающихся привести в порядок окружающую среду. В магазинах страны запретили выдавать покупателям пластиковые пакеты. Местная полиция на улице останавливала тех, кто осмеливался пройтись с пакетом в руках. У некоторых супермаркетов, не выполнивших закон, была отозвана торговая лицензия.

Ну а тем временем остров Занзибар, который является курортной жемчужиной Танзании, ввел запрет на использование пластиковых пакетов для упаковки продуктов и товаров в магазинах. Теперь каждый, кто будет признан виновным в производстве, импорте или продаже пластиковых пакетов, может быть оштрафован на сумму до 2 тыс. долларов или посажен в тюрьму на 1 год. Ввоз пластиковых пакетов на Занзибар также запрещен.

В России шуршание пластиковых пакетов сопровождает нас при каждом посещении гипермаркетов. Крупные продуктовые магазины «бесплатно» (в Москве, например, стоимость «бесплатного» пакета включена в стоимость продуктов) предоставляют своим покупателям неограниченное количество пакетов для продуктов. Некоторые берут сразу несколько штук впрок, чтобы складывать дома мусор.
И в результате именно на помойке оказывается подавляющее количество всего произведенного полиэтилена. Либо он валяется в лесу, плывет по реке, там, где бросил его человек. В природе пакеты могут стать реальной угрозой: известны случаи гибели диких и домашних животных от того, что они проглотили полиэтиленовый пакет. Трудно представить себе жизнь без полиэтиленового пакета. Он всегда под рукой, под ногой, на земле, в воде или, как флаг, болтается на ветру в кустах.

С каждым днем пакетов становится все больше. Например, в Москве ежедневно используется около 3-х тонн пакетов. В год это около 2 тысяч тонн или, приблизительно, 30 железнодорожных вагонов.

Ученые работают над созданием недорогих в производстве пакетов, которые не будут ухудшать экологическую ситуацию. Осенью 2004 года в Великобритании были запущены в производство первые в мире биоразлагаемые пакеты для хлеба. Новый материал, из которого производятся пакеты, распадается на углекислый газ и воду за четыре года. А в Норвегии крупные столичные универмаги оснастили самоликвидирующимися пакетами для пищевых продуктов. Они изготовлены из полимера на основе кукурузного крахмала, выдерживают большой вес и не наносят ущерба природе. Единственным недостатком этой упаковки является ее дороговизна.

Но пока изобретения ученых еще не поступили в массовое производство, полиэтилен продолжает пользоваться огромным спросом.

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ.

Для проведения эксперимента были отобраны различные образцы полиэтиленовых пакетов, наиболее встречающиеся в торговых точках города Прокопьевска. Причем на некоторых пакетах указывается фирма-производитель и максимальная нагрузка, на части пакетов что-то одно, а некоторые пакеты совсем без опознавательных знаков. Максимальная нагрузка исследуемых образцов находится в интервале от 1 кг до 10 кг. Исследование проводилось при комнатной температуре.

1. Теоретическая часть.

Механические свойства различных материалов изучают, воздействуя на образцы данных материалов значительными силами (нагрузками). Характеристикой нагрузок служит механическое напряжение σ. Механическим напряжением называют физическую величину, равную отношению модуля силы упругости, возникающей при деформации, к площади сечения образца, перпендикулярно вектору силы. σ = 

По закону Гука σ = Е

, где Е – модуль Юнга, 

= 

.

Максимальное напряжение σ_п, при котором еще выполняется закон Гука, т.е. при небольших деформациях, называют пределом пропорциональности.

Максимальное напряжение σ_уп, при котором еще не возникают заметные остаточные деформации (остаточная деформация не превышает 0,1 %), называют пределом упругости.

При некотором значении напряжения удлинение образца нарастает практически без увеличения нагрузки. Это явление называют текучестью материала (2, стр. 61).

Напряжение σ_т, при котором деформация образца возрастает без увеличения нагрузки, называют пределом текучести (4, стр. 134).

Разрыв образца происходит после того, как механическое напряжение достигает максимального значения σ_пч, называемого пределом прочности (образец растягивается без увеличения внешней нагрузки вплоть до разрушения).

Для исследования деформации растяжения образец подвергают растяжению, измеряя его удлинение и возникающее напряжение. По результатам опытов вычерчивают диаграмму растяжения – график зависимости напряжения σ от относительного удлинения ε. Диаграмма дает достаточно полную информацию о механических свойствах материала и его прочности (2, стр. 62).

2.Экспериментальная установка.

Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рисунке 1. К жестко закрепленному металлическому стержню 1 подвешивается пластмассовая ручка 2 для пакетов. Удлинение образцов

фиксируется при помощи мерной ленты 3 и пластмассовой стрелки-индикатора 4, прикрепленной к дну полиэтиленового пакета на пластилин.

1 2

ОБРАЗЕЦ

3

4

Рис. 1 Принципиальная схема экспериментальной установки.

В качестве грузов используются пакеты с песком и гири различных масс 5. Чтобы не повредить образцы в них сначала укладываются пакеты с песком, а уже затем гири.

3. Измерения.

Основная сложность работы была в том, что полиэтиленовые пакеты неоднородны, т. е. невозможно измерить площади сечения образцов и их начальную длину. Поэтому невозможно измерить предельные напряжения и относительные удлинения образцов. В связи с этим было решено, вместо предельных напряжений использовать предельные массы, т. е. m_п, m_уп, m_т и m_пч, так как масса груза прямо пропорциональна механическому напряжению образца, а вместо относительного удлинения пакетов использовать абсолютное удлинение, так как они тоже пропорциональны. Таким образом, наша экспериментальная диаграмма растяжения – это зависимость массы грузов m от абсолютного удлинения образца ∆l (рис. 6).

Максимальная нагрузка образцов определялась из соображения, что данный параметр m полиэтиленовых пакетов должен находится в интервале между пределом упругости m_уп и пределом текучести m_т. Кроме того, остаточная деформация образцов не должна превышать ≈ 10-ти %.

Сказанное позволяет заключить, что для реализации намеченных задач необходимо измерить только массы грузов и абсолютные удлинения образцов, что и было сделано в работе. Все экспериментальные данные для пакетов с № 1-15 находятся в Таблицах 1-15 (см. Приложение 1).

Зная модуль Юнга для полиэтилена Е = 1,1 ГПа и получив экспериментально относительное удлинение пакетов при различных нагрузках мы построили диаграмму растяжения, благодаря которой еще раз проследили изменение механического напряжения.

Т.к. при подвешивании пакетов на них действуют сила упругости и сила тяжести, то по третьему закону Ньютона F_т = F_упр.

mg = σS или mg = Е

S.

Отсюда можно теоретически узнать возможную площадь сечения материалов: S = 

.

4. Анализ результатов эксперимента.

На основе экспериментальных данных была построена Таблица 1: «Механические параметры экспериментальных образцов», в которой определены все необходимые для реализации поставленной цели механические параметры полиэтиленовых пакетов (см. Приложение 2).

.

Рис. 5 Диаграмма растяжения образца № 1.

Значения нагрузок на диаграмме соответствуют:

m_п = 2 кг – пределу пропорциональности,

m_уп = 3 кг – пределу упругости,

m = 8 кг – пределу максимальной нагрузке,

m_пч = 9 кг пределу прочности.

5. Эксперимент по подтверждению биоразлогаемости пакетов.

Дешевизна пакетов, простота их оборота и недолговечность приводит к тому, что многие пакеты используются лишь очень короткое время. Например, покупки в магазине укладываются в пакеты, приносятся домой, затем в скором времени пакеты рвутся и выбрасываются.

4 триллиона пакетов в год используется в мире. Они убивают 1 млн. птиц; 100 тысяч морских млекопитающих и неисчислимые косяки рыб.

6 млн. 300 тыс. тонн мусора, большую часть которого составляет пластик, ежегодно сбрасывается в Мировой океан. Ученые заявляют, что полиэтиленовые пакеты составляют 7-9% всего производимого людьми мусора.

По мнению экологов, во-первых, носить свои покупки в сумке, а не в полиэтиленовом пакете, более эстетично и практично, так как пакеты рвутся и просто плохо сочетаются с вашей прекрасной персоной. Во-вторых (и это любопытный факт), один человек, отказываясь год от полиэтиленовых пакетов, экономит 50 литров нефти, тем самым снижается количество новых нефтяных разработок и, следовательно, уменьшается риск загрязнения окружающей среды нефтяными разливами, которые разрушают хрупкие экосистемы нашего мира. В-третьих, в окружающей среде выброшенные пакеты сохраняются длительное время и не подвергаются биологическому разложению, а при горении выделяет СО₂. Таким образом, они образуют устойчивое загрязнение

У биопакетов по сравнению с полиэтиленовыми пакетами есть масса преимуществ. Эксперты справедливо отмечают, что они легко поддается обработке и утилизации. Возможно, применять и такие материалы как например, ткани (индийский хлопок разлагается в земле в течение 11-12 месяцев), биоразлагаемые полиэтилен и полипропилен (Полиэтиленовые биопакеты производятся или на основе органических производных (зерновые и молочные отходы, продукты сахаропереработки), или с помощью введения в основные полимеры составляющих растительного генезиса, которые предназначены для питания простейших бактерий, что в конечном итоге приводит к полному разрушению такого вида упаковки), окси-биоразлагаемые пакеты.

Пластиковые пакеты можно обнаружить как в море, так и просто летающими по улицам города, нанося угрозу окружающей среде: пластик не разлагается в почве, а в морской воде он со временем распадается, образуя крайне ядовитые соединения. Из-за этого Италия и другие страны попрощались с привычными пластиковыми и полиэтиленовыми пакетами. С момента на территориях, отказавшиеся от пластиковых и полиэтиленовых пакетов, вступил в силу запрет на их распространение. В соответствии с требованиями ЕС, магазины будут обязаны предлагать покупателям только пакеты из бумаги, ткани или биоматериалов, поддающихся переработке. По официальным данным, Италия входит в число европейских лидеров по числу полиэтиленовых пакетов, используемых в быту.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения работы были полностью решены поставленные задачи: ознакомились с историей появления полиэтиленовых пакетов; на основе социологического опроса выявили наиболее используемые пакеты; провели исследования по изменению механических свойств; проследили изменения механического напряжения исследуемых образцов при построении диаграммы растяжения; определили максимальную нагрузку для исследуемых пакетов; доказали экологическое преимущество биопакетов.

Мы систематизировали полученные в ходе исследования результаты.

Определили пределы: пропорциональности, упругости, прочности, а также максимальную нагрузку исследуемых полиэтиленовых пакетов.

Проведенное исследование позволяет сделать следующие выводы:

• все полиэтиленовые пакеты, использованные в эксперименте достаточно низкого качества;

• указанная на пакетах максимальная нагрузка не соответствует действительности; почти все пакеты с обозначенной фирмами-производителями максимальной нагрузкой имеют не реальную, экспериментально установленную, максимальную нагрузку значительно ее преуменьшает;

• лучшими механическими свойствами обладают пакеты магазинов «Пятерочка» и «Монетка»прочность полиэтиленовых пакетов не позволяет использовать их длительное время, что приводит к их быстрой утилизации.

Таким образом, цель проведенного исследования выполнена полностью. В плане дальнейших перспектив нашего исследования можно рассматривать возможность его проведения при низких температурах, с учетом колебательных нагрузок, с большим количеством экспериментальных образцов, что позволит сделать более основательные выводы. Доказано экологическое преимущество бумажных пакетов.

Результаты данного исследования могут быть использованы покупателями при выборе полиэтиленовых или бумажных пакетов, в качестве материала по экологическому просвещению учащихся и родителей, можно использовать на классных часах, для различных рекламных акций в торговых сетях города и экологических движениях, нацеленных на приобретение биопакетов, а также учащимися в работе физических кружков и факультативов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Естественнонаучные проекты. 10-11 классы (Физика. География. Экология. Химия) / Сост. М. Ю. Демидова.– М.: Школьная Пресса, 2005. – 80 с.

2. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика: Учеб. для 10 кл. сред. шк.– 3-е изд.– М.: Просвещение, 1994.– 222 с.

3. Факультативный курс физики. 9 кл. Пособие для учащихся. Под ред. А. В. Перышкина и С. Е. Каменецкого.– М.: Просвещение, 1976.– 159 с.

4. Физика: Учебн. для 10 кл. шк. и кл. с углуб. изучением физики / О.Ф. Кабардин, В.А. Орлов, Э.Е. Эвенчик и др.; Под ред. А.А. Пинского. – 7-е изд. – М.: Просвещение, 2002.– 415 с.

5. Физическая лаборатория: Учебное пособие для учителей и учащихся. Вып. 1. Механика. / Под ред. А.Б. Долицкого, Е.Ю. Заславской. – М: МИРОС, 1997,127с.