Весенний семинар тренеров ТЮФ – 2017

Этот семинар оказался интересен с нескольких различных сторон.
1. Формат семинара. Мы уже много раз проводили семинары, на которых команды два дня решали по две несложные исследовательские задачи и на третий день семинар заканчивался физическим боем. Год назад провели семинар-погружение для тренеров и школьников, в ходе которого разбирались с понятием момента сил и его приложением к расчёту упругой балки. В этот раз исходную задачу взяли из задач Международного турнира юных физиков 2013 года, но она была гораздо более трудоёмкой и сложной, допускала множество различных направлений исследования и этим была близка к задачам, которые берутся для погружений по физике. Поэтому физического боя не было, и все группы работали на общий результат, как на погружении.
Но при этом мы решали реальную турнирную задачу, и взрослые участники могли рефлектировать ход работы как тренеры школьных команд. Решая такую сложную задачу, нужно, с одной стороны, ограничить область исследования, потому что эксперименты весьма трудоёмки, мы даже на испытание простых мостов-трубок потратили почти целый день на набор статистики. С другой стороны, важно подвигаться в разных направлениях, провести хотя бы грубые эксперименты-прикидки: а что будет с треугольными мостами? Как ведут себя трубки, если их нагружать не в центре, а ближе к опорам? Можно ли повысить прочность трубок, перераспределив бумагу по длине трубки?
2. Содержание. Мы, конечно, воспроизвели всё, что знали про упругие свойства стержней, их эйлеровскую неустойчивость. Но тонкостенные трубки вели себя совсем не так, как балки. Они легко меняли форму своего сечения и странно деформировались. Разбираться с этим было очень интересно, главную роль сыграли наблюдения и эксперименты, а теория явно отставала.
3. Устройство. В очередной раз очень понравилось работать в смешанном составе взрослых и школьников. Школьники могли послушать споры тренеров и бросить им вы-зов, как это сделал Алексей Буданцев. Обсуждения были живыми, группы на второй день выдержали долгое теоретическое обсуждение и самостоятельно выбрали задачи экспериментального исследования. В общем, работали как настоящие тюфовцы!

Хочу поведать уважаемому читателю о прошедшем семинаре, о фактах и впечатлениях, о том, что на семинаре было, и что после него осталось. Весь семинар, все три дня, были посвящены решению задачи формата Турнира Юных Физиков. Это была задача, взятая из ТЮФ 2013 года, под названием «бумажный мост». По окончании каждого дня около часа отводилось на консультации по задачам нынешнего Турнира.
Немного слов о том, что происходило, это нужно для тех, кто не видел семинар своими глазами, и может быть интересным тем, кто не видел семинар моими глазами. По задаче «бумажный мост» решили работать по командам. Цель была максимально продвинуться в физике исследуемых явлений и обсудить результаты между командами. Показывать полученные промежуточные результаты мы договорились сразу, выделили для обсуждения вторую половину дня, после обеда. Обсуждали долго и с пристрастием. В первый день это были результаты о прочности бумажных трубок в зависимости от диаметра. Максимальные результаты прочности смогли получить наиболее аккуратные экспериментаторы. Обсуждали результаты, как их получать, что главным образом разрушает мост, стали глубоко вникать в механику складывания, излома трубки. С кучей интересных вопросов отправились домой. Мост ломается из-за момента сил, способного разрушить трубу в её начальной геометрической форме? Или сосредоточенная нагрузка деформирует мост так, что небольшого момента сил хватает для перелома? На следующий день из этих вопросов мы смогли придумать эксперименты, которые позволили на них ответить. Экспериментировали в двух направлениях. Первое — подвешивали груз на разном расстоянии от края, это позволило изменить момент при той же нагрузке и отделить его влияние от влияния сосредоточенной нагрузки. Второе направление было в исследовании труб различной формы. Наша команда шла по второму направлению. Мы получили, что круглые трубы самые прочные. Я во время работы случайно обратил внимание на картонную коробку, в которой лежали наши печенюшки и чай. Если полоску картона поставить вертикально, то из неё получится мост прочнее нашего, а бумаги в такой полоске будет не больше. Я попробовал сделать из А4 «картон», но достаточного качества за небольшое время достичь не удалось. Зато осталась идея, которой я охотно делился, она была понятной для учеников 8, 9 класса. Во время обсуждения в этот день мы увидели результаты экспериментов, поняли, что в трубах большего диаметра решающую роль играет сосредоточенная нагрузка, а в трубах малого — момент сил. Это добавило жару в дискуссии о том, как же развивается излом. С этим вопросом мы пришли утром третьего дня, и оставшееся время обсуждали и приводили в порядок свои мысли и результаты экспериментов. И когда какой-то порядок стал получаться, то возникла новая идея, идея о том, как за счёт образования конической формы поверхности фокусируются напряжения в том месте, где возникает излом. Эту идею мы не успели довести до конца, но она кажется мне наиболее перспективной.
Это были слова о произошедшем. О чем бы мне хотелось сказать? Оказалось, что дли-тельное приведение мыслей в порядок способно втянуть в дискуссию всех участников, услышать вопросы с неожиданной стороны и задуматься. А ещё, это бесценно, говорить, когда есть заинтересованные слушатели, видеть реакцию, понимать её или её отсутствие. Кажется, я получил ответ на вопрос, возможно ли придумать по-настоящему новое и гениальное в беседе с человеком. Ответ — да, возможно. Это даёт надежду, что результат совместный может быть лучше всех индивидуальных. Показать это, на мой взгляд, это великая задача, и такие семинары помогают с ней справляться.
Спасибо всем, кто способствовал проведению семинара и всем, кто принимал в нём участие!

В целом, семинар прошел довольно плотно и, несмотря на напряженную работу, нам не всегда хватало времени чтобы все детально обработать и осознать. Довольно интересно было разбираться в причинах и делать выводы. Самым поразительным для меня было умение выбросить неважные мелочи и принципиально разобраться в задаче. Спасибо Андрею Ивановичу и Алексею Александровичу за правильно поставленные вопросы. Часто мы заходили не туда и углублялись не в том направлении, забывая о фундаментальном вопросе задачи. Интересно было работать с новыми людьми и ставить эксперименты, методически правильные. В следующем году будем применять полученные умения на практике. Ещё раз спасибо организаторам за проведенный семинар и за приглашения!

Погружение в одну задачу, такова была тема семинара. Погружение прошло удачно, пришли к полному непониманию…
А если серьёзно, то семинар показал, как должен работать тренер команды. Три дня мы решали одну задачу. Нам удалось много сделать. Провели большое количество экспери-ментов. А коллективное обсуждение получившихся результатов помогло в понимании «физики» задачи, но и поставило новые вопросы. Отсюда пришла полная уверенность, что лучше, когда в команде два тренера.
Очень полезным было обсуждение задач ТЮФ 2017, хотя мы не планируем участво-вать в российском ТЮФе. При решении задач остались вопросы, после обсуждения мно-гое встало на свои места. Я бы хотела, чтобы такое же обсуждение проходило и перед СибТЮФом. Это полезно не только для команд-новичков, но и для тренеров, которые по-том заняты в судействе.

На семинаре разбиралась задача ТЮФ одного из прошлых сезонов — мост из листа бумаги. Эксперименты, проведенные на семинаре, показали контринтуитивные (для меня) результаты — независимость или слабую зависимость предельной нагрузки от точки приложения этой нагрузки. Это само по себе хороший результат работы.
Кроме того, я возьму на вооружение отказ от построения графика сразу по средним значениям экспериментальных данных. Вроде, должно быть понятно, что нужно отобра-жать все значения, но как-то до семинара рука просто тянулась сначала усреднить, потом построить график.
Большим плюсом данного семинара явилось значительное количество ребят из команд. Надеюсь, такая практика будет продолжена — это полезно ребятам и всем участникам.

Очередной семинар Эффективная подготовка к турниру юных физиков прошёл в Технопарке новосибирского Академгородка 02-04 марта 2017 года. На этот семинар мы опять пригласили как тренеров команд, так и школьников, по одному участнику от команды, так что взрослые и школьники работали вместе. В семинаре участвовало 17 человек: 10 взрослых и 7 школьников. (А вообще за время проведения семинаров в них приняло участие 96 человек.)
Семинар проводился в исследовательском ключе. Мы взяли задачу ТЮФ 2013 «При-думай сам», в которой предлагалось построить мост из листа бумаги А4, который выдерживал бы наибольшую прочность. Эту задачу мы сократили до следующей формулировки: как предельная нагрузка, которую выдерживает трубка длиной 297 мм, скрученная из листа бумаги А4, зависит от диаметра трубки? Этого вопроса нам на три дня вполне хватило.
Сначала все участники семинара занимались сбором данных, изготавливая трубки разного диаметра и тестируя их на предельную нагрузку, приложенную по середине трубки. Было установлено, что самыми прочными являются трубки с внутренним диаметром 15 мм, выдерживающие нагрузку около 20 Н. Трубки меньшего и большего диаметра являются менее прочными, причём предельная нагрузка для трубок с крайними значениями диаметров (6 мм и 30 мм) опускалась до 8 Н.
Этот экспериментальный материал приводит к следующим вопросам:

1. Почему при изменении диаметра трубки в 6 раз предельная нагрузка в самом грубом приближении остаётся неизменной?
2. Почему она всё-таки падает в обе стороны от 15 мм?
3. Как вообще происходит разрушение трубчатого моста?
4. Какой параметр является определяющим для разрушения моста: сама величина нагрузки или создаваемый этой нагрузкой момент?

Для исследования последнего вопроса две группы изготовили несколько десятков тру-бок диаметра 15 мм и производили испытания, прикладывая нагрузку не по центру, но сдвигая её точку приложения от середины трубки к её краю. В результате этих испытаний было выяснено, что трубки обрушиваются одной и той же силой, вне зависимости от того, где она приложена, что противоречит привычному представлению о том, что обрушивание происходит, когда критической величины достигает момент силы. Были проверены и трубки этого же диаметра но разной длины — результат оказался таким же. Попытки ещё двух групп усиливать 15 мм трубки перераспределением материала тоже ни к чему не привели. Наконец, ещё одна группа занималась изготовлением трубок треугольного сечения — они оказались несколько менее прочными, чем круглые.
В целом этот так исследования привёл к пониманию того, что надо говорить не о «тонких» и «толстых» трубках, но напротив, о «толстостенных» и «тонкостенных». Толсто-стенные трубки ведут себя на начальном этапе испытания похоже на обычный сплошной брус, прогиб которого растёт пропорционально приложенной силе; а потом в какой-то момент времени верхняя стенка такой трубки теряет устойчивость, и мост сразу же обрушивается. Тонкостенные трубки сразу же начинают деформироваться не только по длине, но и по сечению. Затем на боках такой трубки появляются две вмятины, которые постепенно увеличиваются в размерах и растут вверх. Когда эти две вмятины встречаются на-верху трубки, мост обрушивается.
Дискуссии о том, как именно происходит потеря устойчивости тонкостенной трубки при её изгибе, были очень обширными и интересными, но пересказать их здесь я не возьмусь. Из теоретического материала мы разобрали в качестве примера простейшую модель потери устойчивости системой из двух одинаковых балок, соединённых между собой пружинным шарниром.

Что касается самого семинара, то от его проведения я в очередной раз испытал глубокое удовлетворение. Мы собираем вместе учителей и школьников и в течении трёх дней решаем задачу, выходящую не только за рамки школьного курса физики, но также и вузовского курса сопротивления материалов. Мы продвигаемся вперёд в исследовательском режиме, когда никто, и ведущие семинара в том числе, не имеет понятия о том, до какой степени мы сможем продвинуться в задаче. Три дня, отданные чистым занятиям физикой. Понятно, что такие занятия нужны далеко не всем учителям физики, и не всем школьникам. Но для тех, кому они нужны, мы создаём возможность поработать над хорошей зада-чей — и в режиме экспериментов, которые делаются по группам, и в общей научной дискуссии. Это клуб учителей физики, уникальный по своим принципам и устройству. И я рад тому, что он у нас есть. Мы продолжаем уникальное дело, начатое В.И.Шелестом четверть века назад, с большой пользой для всех, кто в нём участвует.