Мартовский семинар тренеров ТЮФ – 2018

Очередной семинар Эффективная подготовка к турниру юных физиков прошёл в Технопарке новосибирского Академгородка 01-03 марта 2018 года. В семинаре участвовало 10 человек (8 взрослых, включая 2 руководителей + 2 школьников)
Семинар проводился в форме учебно-исследовательского погружения. Все три дня мы решали одну серию задач, связанных с вытеканием воды из сосуда через отверстие или патрубок.
Мы начали семинар с лабораторной работы, на выполнение которой ушёл весь первый день. Известно, что скорость воды, вытекающей из сосуда через небольшое отверстие, должна определяться законом Бернулли . Участникам было предложено по группам проверить, насколько точно будет выполняться это соотношение. Скорость вытекания воды пересчитывалась через скорость опускания уровня воды в сосуде и отношение площадей. По ходу работы выяснилось следующее. (1) Если жидкость вытекает из сосуда через трубку, скорость составляет примерно 0,7 от теоретически предсказанной. (2) Если трубка длинная, надо отсчитывать уровень воды в сосуде не от входа в трубку, а от выхода из неё. (3) Если жидкость вытекает не через трубку, а через отверстие в крышке, диаметр струи будет меньше, чем диаметр отверстия, и если при пересчёте за нижнее сечение брать не диаметр отверстия, а диаметр сформировавшейся струи, то вычисленная скорость вытекания будет составлять 0,95 от теоретически предсказанной.
Но это я уже фиксирую результаты, а по ходу всё выглядело несколько иначе: есть четыре группы, они что-то делают, когда у них появляются результаты, они тут же рассказывают о них всем. При этом остальные группы сразу же могут сравнить представленные результаты со своими; и если у докладчика есть какая-то находка, касающаяся методики проведения эксперимента, этой находкой сразу же можно воспользоваться в своей работе. У нас получилось так, что после первых уточнений методики две группы ходили вокруг соотношения эксперимент/теория 0,5–0,7, а две другие группы получали результат 0,9–0,95. Мы занимались взаимной проверкой и долго не могли понять, чем на самом деле обусловлены получающиеся расхождения. Если бы это было ТЮФ, то ситуация выглядела бы, к примеру, так: докладчик сообщает, что его результат равен 0,5, и строит хитрую теорию, объясняющую, почему скорость падает в два раза; а оппонент знает, что у него получился результат 0,95, он сам объясняет его малыми потерями на трение и т.п., и вообще не может понять, о чём говорит докладчик. Это всё было очень хорошо видно; мы за полтора дня разобрались с нашими расхождениями, а за время доклада и дискуссии разобраться с ними было бы не слишком реально, если ты заранее не представляешь себе проблему в достаточной её полноте.
Из последующих вопросов мы обсудили следующие: (1) почему при истечении из отверстия происходит дополнительное сжатие струи; (2) что происходит, когда струя вытекает из короткого насадка Борда и из длинного насадка; (3) как распределяется давление при вытекании из длинной трубки, опущенной горизонтально вниз; (4) И попробовали поэкспериментировать с вязким течением, но наши тонкие трубки от капельницы были уже порчеными (с условными «дросселями»), поэтому скорость вытекания была в несколько раз меньше, чем по формуле Пуазёйля.
Семинар в такой форме, когда никуда не спешишь, все решают одну задачу и обмениваются результатами друг с другом — вещь, безусловно, приятная. Надо хотя бы раз в сезон проводить их и дальше.

Прошедший семинар был посвящён экспериментальному изучению вытекания воды из бутылки с трубкой. Замысел семинара был связан с удивительными результатами применения закона Бернулли для описания этой простой ситуации: с одной стороны, давление на поверхности воды в бутылке равно атмосферному, а затем растёт с глубиной. С другой стороны, давление на выходе из трубки тоже равно атмосферному, скорость воды в трубке из условия постоянства расхода во всех сечениях должна быть постоянной, значит, давление воды в начале трубки должно быть меньше атмосферного. Получается, что на уровне горлышка давление должно скачком уменьшаться.
Однако ход семинара оказался связан с решением совсем других вопросов. В первый день выяснилось, что результаты четырёх рабочих групп существенно различаются при использовании трубок одинаковой длины и диаметра. На характер течения воды сильно влияла длина, на которую трубка входила внутрь бутылки. Чтобы избавиться от влияния трубок, группы провели эксперименты для течения воды из отверстий в пробках одного диаметра. Но результаты снова получились различными из-за разного качества обработки краёв отверстий. Не убранные после сверления отверстий заусенцы работали в зависимости от направления засверливания как внутренние или как внешние патрубки с разным характером течения воды.
На второй день двумя группами изучалось течение воды в тонких трубках одного диаметра, где существенными становятся эффекты вязкого трения. И опять результаты работы групп не совпали. Линейная зависимость скорости от высоты столба воды в бутылке соответствовала теории, но количественное расхождение достигало 2-3 раз. Этот результат был связан с незаметными на глаз пережимами на трубке.
Таким образом, главными для семинара стали вопросы методики проведения эксперимента, контроля условий, которые на первый взгляд кажутся несущественными. Мы имели счастливую возможность сопоставлять результаты групп и за счёт этого с осторожностью относиться к полученным результатам. Команды при подготовке к турниру такого рода задач оказываются совсем в другой ситуации, когда данные эксперимента, связанные с недостатками методики, могут подтолкнуть к построению неверной модели изучаемого явления. Поэтому желательно, чтобы результаты эксперимента перепроверялись другими членами команды
На третий день обсуждались теоретические модели, в рамках которых можно дать качественное объяснение полученным группами результатам. И мы всё-таки вернулись к резкому уменьшению давления, возникающему из-за образования турбулентных вихрей при входе воды из бутылки в трубку 

Спасибо общественному движению «Сибирский турнир юных физиков», Фонду «Поддержка проектов в области образования», ЦМИТ «Zoomer», а также лично Андрею Ивановичу Щетникову и Алексею Александровичу Колчину за проведенный семинар по подготовке команд Турнира юных физиков 1-3 марта 2018 г.
Основные разделы семинара соответствовали цели – методической помощи учителям или тренерам в организации и осуществлении исследовательских работ школьников. На примере задачи о вытекании воды из сосуда по трубке было рассмотрено поле исследовательской деятельности и выделены ключевые моменты: первые опыты, выделение основных теоретических положений, проверка гипотез в ходе экспериментов, представление полученных результатов, уточнение ограничений использованной теоретической модели, выводы.
Так в первый день каждый участник семинара в ходе опытов убедился, что закон Бернулли при вытекании воды из трубки, вставленной в бутылку, выполняется, но лишь с поправкой на потери энергии. Но где эти потери возникают? Диаметры трубок у разных команд были различными, отверстия и насадки для бутылок отличались другу от друга, соответственно результаты рабочих групп различались. Все пришли к выводу, что нужно сделать опыты только с отверстиями, без трубочек. Обработка видео, получение графиков (скорости от высоты) в Excel – это те навыки, которые были отработаны в первый день, они пригодились и не вызывали затруднений далее.
Во второй день группы ставили эксперименты в соответствии с собственными целями. Стало понятно, что есть особенности для трубок с малым диаметром и большим (более 6 мм) диаметром. В первом случае потери были больше. Для сравнения результатов экспериментов наша рабочая группа построила графики квадрата скорости от высоты. Как и ожидалось, для одного и того же отверстия и неизменного диаметра трубки, но для разных длин трубок, графики были линейными с одинаковыми углами наклона, что говорило о потерях на «сопротивлении», связанным с отверстием и насадком. Потери энергии увеличивались, если длина трубки была больше, и особенно увеличивались, если есть «перегиб», влияющий на понижение давления в этом месте и, соответственно, торможение течения воды.
Третий день был посвящен обсуждению теоретических вопросов влияния вязкости воды и турбулентности. Основные физические понятия и представления, которые использованы в ходе беседы, будут полезны для решения задач Турнира юных физиков (ТЮФ) 2018 года, а именно «Фонтан Герона» и «Клапан Тесла». По этим задачам лично у меня в ходе семинара возникали идеи, которые можно реализовать при подготовке к участию в Российском турнире юных физиков. В форме «вопрос-ответ» рассмотрены некоторые другие задачи ТЮФ текущего года.
Приятно отметить деловую атмосферу, умело созданную организаторами. Все участники семинара были активными, и каждый внес свой вклад в полученные результаты семинара. Хотелось бы и в дальнейшем иметь возможность участия в подобных мероприятиях. Большое спасибо!

В работе семинара тренеров ТЮФ участвовала второй раз. Для меня была интересна и необычна форма проведения – метод погружения. Нравилось работать в команде, обсуждать задачи, проводить эксперименты для решения этих задач. В процессе проведения опытов появлялись новые вопросы и это очень интересно.
Большое спасибо организаторам за предоставленную возможность приобрести новые навыки, знания, за возможность общаться с коллегами, за возможность обмениваться опытом.

Семинар тренеров был посвящён методике проведения эксперимента. Это ещё одна составляющая при подготовке команд к ТЮФу. Вода вытекает из перевёрнутой пластиковой бутылки… Логичное предположение о выполнении закона Бернули. Именно с этого и началась наша работа, проверить экспериментально закон. Но в процессе работы был получен не однозначный результат. Пришлось искать этому объяснение. Занялись исследованием, поискам зависимостей. Пришли к другим теоретическим объяснениям… Именно так чаще всего и происходит решение задач ТЮФ. И трудности возникают именно с качественным объяснением результатов. На это тоже делался упор на семинаре. Хочется очередной раз сказать спасибо организаторам. Всегда приятно находится на семинарах, организованных для тренеров. Это всегда получение полезной информации и новых навыков, и приятное общении с единомышленниками.

Семинар был очень интересным и познавательным со стороны исследований. В нашей группе провели много опытов и сопоставляли теорию с практикой, удалось вывести зависимость между скоростью и высотой трубки. Приобрели навыки работы с новыми программами, также, что немаловажно, улучшилась работа с Excel. Взяли на заметку делать такие же красивые и стационарные установки для проведения опытов по исследовательским задачам! Конечно, получили очередную «порцию» опыта командной работы и изложения своих результатов исследования аудитории. Семинар был очень полезен и эффективен, спасибо большое за организацию и проведение, с нетерпением ждём следующего семинара!