Учебные цели:
- Дать представление о способах расчёта пройденного кораблём расстояния в море.
- Рассмотреть физические процессы, лежащие в основе этих способов.
- Изложить принцип работы гидродинамического лага.
Тип урока: урок изложения и первичного закрепления нового материала
Метод проведения: метод учебно-ролевой игры, в которой педагоги выступают в роли командира и старшего помощника командира стратегической подводной лодки (ПЛ), ученики – в роли экипажа ПЛ.
Учебно-методическое обеспечение:
Презентация учебного материала.
Видеоролик 1, Видеоролик 2, Видеоролик 3.
Наглядные пособия:
- схема-вкладка “Принцип выработки скорости хода гидродинамическим лагом (ГДЛ)”;
- схема-вкладка “Принцип действия узла пройденного расстояния гидродинамического лага”.
Технические средства обучения:
- интерактивная доска;
- мультимедийный проектор;
- устройство подачи звуковых сигналов.
План изложения нового материала:
- Физика процессов, лежащих в основе работы гидродинамического лага.
- Принцип выработки скорости хода.
- Расчёт пройденного кораблём расстояния.
ХОД УРОКА
I. Постановка учебной проблемы урока
Командир: Подаёт звонковой сигнал: “Один короткий, один длинный (3-5 раз)”. Командует: По местам стоять. Со швартовов сниматься. Отдать носовой, отдать кормовые. Лево руля, на курс 3150. Обе турбины вперёд “Малый”. Штурман, выводить на створ.
Штурман: На створе.
Командир: Боцман, править по створу.
Боцман: На створе, курс 3150.
<Видеоролик 1>
Командир: Внимание личного состава. Директивой МО РФ и Правительства России экипажу ракетного подводного крейсера стратегического назначения (РПКСН) “Калининград” приказано произвести экспериментальный запуск двух ракет ракетного комплекса “Синева” по полигону “Восточный” на полную дальность. Задача осложняется тем, что точкой старта ракет выбран Северный полюс Земли. Боевое обеспечение до паковых льдов осуществляет эскадренный миноносец “Отличный”. Погода плохая, море штормит. Волнение 6-7 баллов, ветер до 30 м/с. От каждого из Вас потребуется выдержка, старание и полная самоотдача для обеспечения бесперебойной работы всех корабельных систем и механизмов. Секретчик, раздать секретные пакеты. (Дежурный по классу раздаёт схемы-вкладки всему экипажу, оформленные под секретные пакеты).
Старпом, боевая готовность № 1, по местам стоять, к погружению.
Старпом: Нажимает тангенту ревуна, подавая звуковой сигнал – “Три коротких и один длинный непрерывный звук продолжительностью не менее 5 секунд”.
Командует: Боевая тревога! По местам стоять, к погружению!
Командир: Задраить водонепроницаемые переборки. Заполнить среднюю. Боцман. Погружаться на глубину 200 м. Дифферент 20 на нос. Обе турбины вперёд “Средний”. Штурман. Расчётный курс?
Штурман: Курс инерциальный – 430.
Боцман: Глубина 180, дифферент 20 на нос.
Командир: Боцман, дифферент 00, право руля, курс 430. Обе турбины вперёд “Полный!”. Боевая готовность № 2, второй боевой смене заступить. Осмотреться в отсеках. (Идут доклады по осмотру отсеков).
Сработала аварийная сигнализация гиропоста. (Звонковой сигнал).
Штурман: Центральный, гиростабилизированная платформа инерциального навигационного комплекса вышла из строя.
Командир: Перейти на резервные курсоуказатели. Опустить и включить гидродинамический лаг.
Командир: Старпом, напомните мне, как работает гидродинамический лаг.
Старпом:
“Результаты плавания зависят не от того, быстрее или медленнее продвигается корабль, идёт ли он под парусами или приводится в движение паром, а от того, будет ли правильным его курс и исправным его рулевое управление”
Альберт Швейцер
< Презентация, слайд 2>
Мы с Вами знаем: кораблевождение в самом широком смысле слова – это наука о безопасном и экономичном плавании кораблей в море.
Каким бы корабль или судно не было – малым катером, плавающим на небольшие расстояния вдоль берегов или большим крейсером, совершающим длительные переходы, перед командиром стоит главная задача – точно и вовремя привести корабль в назначенное место.
Поэтому, для точного и безопасного плавания необходимо в первую очередь знать курс, скорость движения корабля, его место и глубину под килем.
Для измерения этих параметров современные корабли оснащены специальными навигационными приборами. С одним из таких приборов (лагом) мы с Вами и познакомимся сегодня на занятии.
В рабочих тетрадях записываем дату, вид работы, тему урока и рассматриваемые вопросы.
<Презентация, слайды 3-6>
II. Изучение и усвоение нового материала
1. Физика процессов, лежащих в основе работы гидродинамического лага
Старпом: Исследованием свойств жидкостей и многих, связанных с этим прикладных вопросов, занимались Архимед, И.Ньютон, М.Ломоносов, Л.Эйлер, Б.Паскаль, Д.Бернулли. Большие заслуги в изучении гидродинамики принадлежат русским учёным Н.Жуковскому, В.Шулейкину, Н.Зубову, В.Титову и многим другим. <Презентация, слайд 7>
Вспомним. Одно из важнейших уравнений гидромеханики было получено в 1738 году швейцарским учёным Даниилом Бернулли. Ему впервые удалось описать движение стационарной, несжимаемой идеальной жидкости (физическая абстракция, т.е. воображаемая жидкость, в которой отсутствуют силы внутреннего трения). < Презентация, слайд 8>
Формулировка уравнения Бернулли:
“В установившемся движении идеальной жидкости полное давление, т.е. сумма динамического, гидростатического и статического давлений, одинаково во всех поперечных сечениях трубки”.
где 
-
гидродинамическое давление, показывающее, на
какую величину уменьшается давление внутри
жидкости вследствие её движения;
–
гидростатическое давление, показывающее,
насколько уменьшается давление при поднятии
трубки на высоту h;
рст. – статическое давление – это давление жидкости на поверхность обтекаемого ею тела.
<Презентация, слайд 9>
Физическая сущность уравнения Бернулли:
Уравнение Бернулли – математическое выражение закона сохранения энергии и условие неразрывности применительно к установившемуся течению идеальной жидкости.
Выполняется и для реальных жидкостей, внутреннее трение которых мало.
Следствие из уравнения Бернулли:
для горизонтальной трубки тока постоянного сечения (h1 = h2) полное давление будет определяться по формуле:
< Презентация, слайд 10>
“Море безгранично, как и все науки в нём обретающиеся…”
<Презентация, слайд 11>
Лаг (от голландского log) – навигационный прибор для измерения скорости хода и пройденного кораблём расстояния. <Презентация, слайд 12>
По своей конструкции и принципу действия лаги подразделяются на:
- электромеханические (вертушечные);
- гидродинамические;
- индукционные;
- гидроакустические.
Первые три типа лагов измеряют параметры скорости относительно поверхностного слоя воды и поэтому называются относительными, последний (гидроакустический) – относительно грунта. Такой лаг называют абсолютным. <Презентация, слайд 13>
Рассмотрим принцип выработки скорости хода и пройденного кораблём расстояния на примере гидродинамического лага.
Принцип работы гидродинамического лага основан на измерении гидродинамического давления, создаваемого скоростным напором набегающего потока воды при движении корабля. <Презентация, слайд 14>
Для измерения этого давления под днище корабля выдвигают (“выстреливают”) трубку лага с двумя изолированными друг от друга каналами, приёмные отверстия которых вынесены за пределы пограничного слоя воды.
Одно из них (приёмное отверстие трубки Пито) направлено вперёд по ходу корабля в сторону его форштевня. Этот канал называют динамическим. Отверстие второго канала располагают сбоку, либо снизу трубки и называют статическим.
Вследствие возникающего при движении корабля скоростного напора набегающего потока воды высота столба h1 в канале динамического давления будет больше, чем высота столба h2 в статическом канале.
На основании уравнения Бернулли можно записать:
где 
–
плотность морской воды;
v - относительная скорость хода корабля;
рст. – статическое давление воды на уровне входного отверстия трубки Пито.
Таким образом,
измерение скорости с помощью гидродинамического лага сводится к измерению гидродинамического давления, определяемого разностью полного и статического давлений, т.е. к измерению скоростного напора потока воды.
<Презентация, слайд 15>
2. Принцип выработки скорости хода
Командир: Действительно, давление скоростного напора за счёт движения корабля выделяется в так называемом сильфонном дифманометре (мембранном аппарате).
Мембранный аппарат представляет собой металлический сосуд, разделённый посередине резиново-металлической диафрагмой на две герметичные полости. В верхнюю полость вода поступает через канал статического давления, в нижнюю – через канал динамического.
Как только корабль даёт ход вперёд, давление в динамическом канале возрастает за счёт скоростного напора, выгибая при этом диафрагму вверх и поднимая металлический шток со скользящим контактом двигателя скорости. Двигатель начинает вращаться, приводя в движение всю кинематическую схему узла скорости. При его вращении компенсирующий рычаг начинает давить на диафрагму в противоположном направлении, заставляя её опускаться вниз. Когда диафрагма вернётся в нейтральное положение, двигатель скорости остановится. При этом на его шкале будет стоять значение набранной кораблём скорости хода в узлах. Схема готова к новому набору скорости.
При уменьшении скорости хода диафрагма выгибается вниз и реверсивный двигатель, вращаясь в обратном направлении, уменьшает показания скорости движения корабля.
<Презентация, слайды 16-17>
3. Расчёт пройденного кораблём расстояния
Узел выработки пройденного расстояния реализует решение физической формулы равномерного движения:
s = v · t (5)
Для выработки пройденного расстояния служит второй двигатель лага, скорость вращения которого стабилизирует часовой регулятор (часы).
На оси двигателя крепится коноид – конусообразное металлическое тело, которое вращается с постоянной во времени скоростью. На вершине коноида установлено колёсико, механически связанное с узлом скорости и имеющее возможность свободно перемещаться по образующей коноида.
Когда корабль не имеет хода, остриё вращающегося коноида упирается в колёсико, не приводя его в движение. С началом движения корабля и вращением двигателя скорости, колёсико смещается вниз по образующей и начинает вращаться пропорционально скорости хода корабля, реализуя тем самым формулу (5). <Презентация, слайд 18>
Счётчик пройденного расстояния (СПР) – (“морской спидометр”), показывает пройденное кораблём расстояние в сотнях, десятках, милях и в десятых долях мили, т.е. в кабельтовых. <Презентация, слайд 19>
Чувствительным элементом гидродинамического лага является приёмная трубка, установленная в клинкете лага. Давление скоростного напора выделяется в сильфонном дифманометре, преобразуя его в показания скорости хода корабля u . Узел пройденного расстояния рассчитывает величину пути корабля s за время плавания t. Оба эти устройства располагаются внутри центрального прибора лага.
Станция питания обеспечивает прибор переменным напряжением 220 В.
Дополнительными устройствами лага являются:
- дыхательные клапаны, которые предназначены для удаления из схемы гидравлики пузырьков воздуха;
- комбинированный репитер;
- репитер скорости.
Репитеры предназначены для трансляции скорости хода и пройденного расстояния другим потребителям. <Презентация, слайд 20>
Командир: Штурман, доложите расстояние, время до точки и погрешность места подводной лодки при старте.
Штурман: (Решает задачу у доски) <Презентация, слайд 21>
| Дано: | Решение: | Вычисление: |
| s = 65,2 мили |  |
 |
| v = 24 уз. |  s = s ·  s |
s = 10-2 * 65,2
мили = 0,652 мили * 1,8523  1,21 км |
| s = 1% |
||
| t - ? s - ? |
||
| Ответ: 2 ч 43 мин; ± 1,21 км. | ||
Штурман: До точки 65,2 мили. Ожидаемая погрешность места подводной лодки 1% от расстояния до точки, что составляет 1,21 км. Ожидаемое время подхода 2 ч 43 мин.
Командир: Командир БЧ-2, доложите допустимую погрешность старта.
Командир БЧ-2: ± 1,5 км.
“Печальный и в то же время счастливейший удел человечества в том и состоит, чтобы без конца измерять расстояния от того места, где мы находимся, до того, где мы хотим быть”
Рэй Дуглас Брэдбери
<Презентация, слайд 22>
Командир: Командир БЧ-2, ракетный комплекс “Синева” к старту окончательно приготовить. Боцман всплываем на 60, дифферент 20 на корму. Обе турбины вперёд “Малый”. Штурман, докладывать расстояние до нижней кромки льда через каждые 5 м. Старпом, боевая готовность № 1, к всплытию.
Старпом: Нажимает тангенту ревуна, подавая звуковой сигнал – “Три коротких и один длинный непрерывный звук продолжительностью не менее 5 секунд”.
Командует: Боевая тревога, по местам стоять, к всплытию.
Командир: Экипаж, всплываем. Продуть цистерны главного балласта. “Товсь!” на быстрой. Турбинам “Стоп!”.
Боцман: Лодка стала.
Командир: Продуть среднюю. Слушать в отсеках.
Командир: Ракетная атака! Ключ на старт! Начать обратный отсчёт времени.
Командир БЧ-2: Пять, четыре, три, два, один. Пуск.
Командир: Внимание экипажа. Полигон подтвердил попадание. Задача выполнена. Благодарю за службу! (Экипаж встаёт и хором: “Служим Российской Федерации!”)
Контрольные вопросы:
График величины u 2
(давления скоростного напора) имеет вид параболы.
Выражение s = v * t имеет линейную зависимость.
Каким образом можно скомпенсировать
квадратурную погрешность реализованного в
конструкции лага физического процесса?
<Презентация, слайд 23>
Ответ: параболическая форма образующей коноида компенсирует квадратурную погрешность лага. <Презентация, слайд 26>
Что такое репитер? < Презентация, слайд 24>
Ответ: репитер – это транслятор показаний скорости лага для учёта её в приборах. <Презентация, слайд 27>
Учитывает ли гидродинамический лаг течение? <Презентация, слайд 25>
Ответ: лаг не учитывает течение, т.к. лодка переносится течением вместе с установленным на ней лагом. <Презентация, слайд 28>
Командир: Штурман, курс в базу. Всё, идём домой, ребята! Отметка всем сегодня отлично. (Звучит песня “Усталая подлодка”).
III. Подведение итогов урока. Домашнее задание
Старпом: Наш урок подходит к концу.
- Что нового Вы узнали на этом уроке?
- Чему научились и что для Вас оказалось полезным?
- Что произвело на Вас наибольшее впечатление?
- Как Вы оцениваете свою деятельность и активность на уроке?
Действительно, мы с Вами в очень активной форме изучили принцип работы гидродинамического лага, рассмотрели физические процессы, лежащие в основе способов определения скорости хода и пройденного кораблём расстояния. И у нас это получилось!
Домашнее задание:
Вскрыть “Секретные пакеты”. Вставить в рабочие тетради схемы-вставки узла скорости и пройденного расстояния и описать принцип их действия. <Презентация, слайд 29>
Командир: В завершение урока хотим, чтобы Вы всегда помнили:
России быть нельзя без флота.
Он есть “начало всех начал”.
Крепить всемерно мощь оплота
Великий Пётр нам завещал.
Я знаю точно: Флоту – быть!
С годами эта вера крепла.
Российский флот наш будет жить!
Как птица Феникс, восстав из пепла!
<Презентация, слайд 30>
Мы благодарим всех за урок. До свидания. <Презентация, слайд 31>
Литература.
- Анциферов Л.И. Физика: Механика, термодинамика и молекулярная физика. 10 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Мнемозина, 2001, с. 194-199.
- Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1994, с. 59-62.
- Бирюков Н.В., Денисов А.С., Ковалёв А.Я. Кораблевождение. – М.: Воениздат, 1986, с. 28-34.
- Матвеев В.А. Кораблевождение в сложных условиях. – Калининград: КВВМУ, 1991, с. 27-45.
- Матвеев В.А. Основы кораблевождения. (Пособие для кадет на основе рукописи). – Калининград: БВМИ, 2009, с. 13-14.
- ФГУП Красноярский машиностроительный завод (Видеоролики 1, 2, 3).