6. Блок
Блок — простое механическое устройство, позволяющее регулировать силу, ось которого закреплена при подъеме грузов. Представляет собой колесо с желобом по окружности, вращающееся вокруг своей оси.
Неподвижный блок употребляется для подъёма небольших грузов или для изменения направления силы.
Подвижный блок имеет свободную ось и предназначен для изменения величины прилагаемых усилий.
Фактически, любой блок представляет собой рычаг, в случае неподвижного блока — равноплечевой, в случае подвижного — с соотношением плеч 1 к 2. Как и для всякого другого рычага, для блока справедливо правило: во сколько раз выигрываем в усилии, во столько же раз проигрываем в расстоянии.
Архимед устроил блок и посредством него спустил на воду громадный корабль; он первый придумал устройство блока. Из этого свидетельства видно, что Архимед не только изучил свойства простых механизмов, но и сделал следующий шаг — стал сооружать на их основе более сложные машины, преобразующие и усиливающие движение.
Эксперимент 6
Задача 1
Соберите систему блоков и проведите эксперимент по поднятию груза.
Поэкспериментируйте с различными видами крючков.
Задача 2
Самостоятельно постройте систему блоков для перетягивания груза в горизонтальной плоскости, используя конструкцию в задаче 1.
Проведите эксперименты.
Применение в робототехнике
Пример 1
Роботу необходимо передвинуть груз.
Для этого необходимо повысить усилие за счет использования системы блоков.
5. Колесо и Ось
Колесо — движитель, свободно вращающийся или закреплённый на оси диск, позволяющий поставленному на него телу катиться, а не скользить.
Колесо состоит из двух частей: диск и шина. Диск позволяет
крепить колесо к оси и является корпусом для крепления шины. Шина состоит из резины и позволяет увеличить сцепление робота с поверхностью.
Основные характеристики колеса:
- Радиус. Расстояние от центра колеса до его окружности. Обозначается буквой «R».
- Диаметр. Это два радиуса или длина отрезка, проходящего через центр и соединяющего две противоположные точки на окружности.
Диаметр определяет размер колеса и обозначается буквой «D».
Периметр или окружность. Это расстояние, которое проходит колесо по плоскости за один оборот. Обозначается буквой «P». Таким образом, расстояние, пройденное за заданное число оборотов, определяется периметром, который в свою очередь зависит от диаметра согласно следующему выражению: P=D*π.
Люди, постоянно работая с вырубленными и поваленными бревнами, обнаружили, что их можно катить, немного подталкивая. Вот тогда под громоздкие предметы стали подкладывать бревна, чтобы облегчить транспортировку. На рисунках, датируемых IV в. до н. э., появились первые изображения примитивных транспортных средств, построенных на основе колеса.
Эксперимент 5
Задача 1
Проведите эксперимент по изучению сцепления колеса с поверхностью. Соберите четыре различные колесные платформы.
Возьмите доску длиной не менее метра и проведите исследование, какая машина укатится дальше.
Задача 2
Применяя линейку и знание формул, посчитайте количество оборотов, которое совершит колесо при скатывании с горки
Задача 3
Соберите машину и рассчитайте, на сколько градусов должно повернуться колесо для поворота машинки на определенный угол
Применение в робототехнике
Пример 1
Сумо роботов. По правилам соревнований побеждает робот, который вытолкнет противника из круга.
При сталкивании робота сила толчка зависит от формы и размера колес.
Выделяются правила:
- Чем шире колесо, тем больше сила сцепления с поверхностью.
- Чем больше колесо, тем сильнее разгон робота перед сталкиванием.
- Чем меньше колесо, тем двигателю легче его прокрутить, что понизит скольжение.
4. Винт
Винт является разновидностью наклонной плоскости. Резьба винта представляет собой наклонную плоскость, обернутую вокруг цилиндра. Угол наклонной плоскости зависит от формы и размеров резьбы.
Чем меньше шаг винта, тем больше поворотов придется сделать, чтобы ввернуть его, но тем меньшее усилие потребуется при этом.
В виде винта рассмотрим элемент, называемый червячной передачей.
Данный элемент имеет 6 витков на 15 мм. Более подробно червяк будет рассмотрен дальше.
Архимедов винт
Архимедов винт – вал с винтовой поверхностью, установленный в наклонной трубе, нижний конец которой погружён в воду. При вращении винтовая поверхность вала перемещает воду по трубе на высоте до 4 м.
Эксперимент 4
Задача 1
Рассмотрите на картинке различные болты и ответте на вопросы:
- На сколько винт входит в гайку за один оборот?
- Измерьте шаг резьбы болта.
Задача 2
Рассмотрите различные болты. Сравните особенности болтов:
- силу винтового соединения;
- время вкручивания болта;
- форму шляпки болта.
Задача 3
Соберите платформу, которая перемещается за счет винтовой передачи. Они используются для преобразования вращательного движения в поступательное.
Задача 4
Вертикальная платформа с винтовой передачей. Необходимо желтую втулку поставить на против винтовой передачи. Это придаст зацепление ходовой оси.
Применение в робототехнике
Пример 1
Платформа для перемещения рабочего стола на станках с числовым программным управлением (ЧПУ).
Винтовые передачи применяются в механизмах с высокой точностью перемещения. Добиться точности в перемещении можно с помощью уменьшения шага резьбы винтовой оси.
3. Рычаг
Рычаг используется для получения большего усилия на коротком плече с помощью меньшего усилия на длинном плече. Сделав плечо рычага достаточно длинным, теоретически, можно развить любое усилие.
Используя принцип рычага, появилась возможность создания механизмов, облегчающих человеческий труд и позволяющих выполнять действия, для которых было недостаточно физической силы человека.
«Строительство египетских пирамид».
Строительство знаменитых египетских пирамид. Вес блоков, из которых возводились пирамиды, достигал 2,5 тонн. Блоки нужно было не только передвигать, но и поднимать.
Примеры рычагов
Рычаги первого рода
детские качели, ножницы, молоток;
Рычаги второго рода
тачка, приподнимание предмета ломом движением вверх;
Рычаги третьего рода
задняя дверь автомобиля, подъём кузова самосвала, движение мышцами рук и ног человека.
Эксперимент 3
Задача 1
Соберите механический захват и проведите опыт по захватыванию деталей различных форм (колесо, шестеренка, балка, изогнутая балка, втулка).
Как можно улучшить этот инструмент для повышения силы и качества хвата? Модернизируйте захват и проведите повторно испытания. Соберите сборные фигуры из деталей других форм (крест, забор или формы букв).
Задача 2
Постройте катапульту и проведите опыты с различной длиной рычага. Понаблюдайте, как изменяется траектория полета в зависимости от длины рычага.
Рассмотрите различные схемы построений катапульты.
Задача 3
Соберите модель механического пресса в виде рычага второго рода.
Применение в робототехнике
Пример 1
Робот, который сможет поднять груз на стеллаж склада.
Для поднятия груза необходимо сделать систему рычагов.
Пример 2
Робот-самосвал, который сможет перевозить и разгружать отсев.
Для выгрузки груза необходимо сделать систему рычагов, способную опрокинуть кузов.
2. Наклонная плоскость
Плоская поверхность, установленная под углом, отличным от прямого, к горизонтальной поверхности. Вы имеете возможность выбрать: приложить большое усилие и поднимать данный груз по короткому пути на нужную высоту или затратить намного меньшее усилие на его постепенный подъем по более длинной наклонной плоскости.
«Колонны древнего египетского храма в Фивах».
При строительстве храма каждую из этих огромных колонн рабы втаскивали по наклонной плоскости, сделанной из песка. Когда колонна вползала в яму, через лаз выгребался песок, а затем разбиралась кирпичная стенка и убиралась насыпь. Наклонная дорога к пирамиде Хафра при высоте подъема в 46 метров имела длину около полукилометра.
Эксперимент 2
Задача 1
Соберите машинку по инструкции.
Возьмите доску длиной не менее метра, проведите соревнования и выясните, чья машинка укатится дальше. Во время попыток меняйте угол наклона плоскости и фиксируйте расстояния отката машин с помощью рулетки или меток из изоленты.
Обращайте внимание на моменты, когда машинка съезжает с наклонной плоскости. Попробуйте вывести правило из этого опыта. Сделайте из машинки гоночную модель, добавив к ней дополнительные детали.
Задача 2
Рампа, которая при минимальном усилии перенесет Лего-машинку, используя грузик.
Проведите опыты подъема машинки в зависимости от веса груза и угла. Изменяйте наклон плоскости.
Применение в робототехнике
Пример 1
Роботу необходимо заехать на ступень.
Для преодоления препятствия можно применить наклонную плоскость, которую робот сможет привезти с собой.
Пример 2
Роботу необходимо перевезти теннисные шарики и разместить их на указанные метки. Используется наклонная плоскость для автоматической подачи шариков к «мотору -засову».
1. Способы крепления деталей
Основным строительным элементом конструктора является балка.
Существует несколько видов балок.
- прямые балки
- с выступами
- изогнутые балки
Для крепления деталей используются штифты. Отверстия для штифтов имеют округлую и крестовую форму. Крестовая форма позволяет фиксировать детали и исключает их поворот.
Также позволяют скреплять детали балки со штифтами и фиксаторы. Балки с крестовыми отверстиями можно скреплять осями.
Для жесткого крепления балок между собой необходимо применять минимум два штифта.
Для фиксирования деталей на осях используются втулки. Также втулки позволяют создавать пустоты в соединениях балок.
Эксперимент 1
Задача 1
Соберите человечка, используя балки и штифты.
Задача 2
Соберите паука используя в основании тела шестеренку
Задача 3
Самостоятельно соберите своего любимого героя из мультфильма или кино. Предложите кому-нибудь отгадать собранного персонажа.
История появления простых механизмов
Устройства, служащие для преобразования силы. Представляют собой элементы более сложных механизмов. В большинстве случаев простые механизмы применяют для того, чтобы получить выигрыш в силе, то есть увеличить в несколько раз силу, действующую на тело. Классические расчеты действия простых механизмов принадлежат выдающемуся античному механику Архимеду из Сиракуз, который жил в III веке до нашей эры. Он рассчитал, во сколько раз механизм дает выигрыш в силе и во столько же раз получается проигрыш в расстоянии. Этот закон теперь назвается «золотым правилом механики».
На рисунке представлены эскизы расчетов простейших механизмов, из Энциклопедии, опубликованной Эфраимом Чемберсом в
1728 году.
Хочу стать инженером.
Посмотри вокруг, тебя окружает много вещей: мебель, игрушки, приборы, теплопровод и водопровод. Их спроектировали инженеры. Но кто такой инженер? Понятие «инженер» зародилось в Италии в средние века. Сначала так называли оружейных мастеров и управляющих военными машинами. С латинского языка слово инженер переводится как «способность, изобретательность».
Нобелевский лауреат Петр Леонидович Капица писал: «Хороший инженер должен состоять из четырех частей: на 25% - быть теоретиком, на 25% - художником, на 25% - экспериментатором, и на 25% он должен быть изобретателем».
Инженеры работают в самых разных областях. Их труд необходим в сфере транспорта, авиации, строительства, на промышленных предприятиях, в научных центрах. Такие специалисты производят абсолютно всё: от предметов повседневного спроса до сложнейших технических сооружений. Столь большая востребованность инженерных навыков во многих областях привела к появлению в этой профессии различных направлений. Так, среди инженеров существуют конструкторы, механики, программисты, технологи, экономисты, организаторы труда. Всех их объединяет участие в разработке устройств, сооружений, алгоритмов.
Личные качества
Инженер – это, в первую очередь, ответственный человек, который должен принимать решения и предвидеть их последствия. Итак, какие же качества необходимо развивать:
- Целеустремлённость. Разработка конструкций потребует много времени и сил, и надо придерживаться своей цели.
- Пространственное воображение. Если ты сумеешь представить свою конструкцию в голове, то построить ее руками тебе будет легче.
- Изобретательность. Развивай способность и умения находить нестандартные и лучшие решения в конструировании.
- Творческий подход в технической сфере. Воспитывай в себе желание и умение привносить что-то новое и уникальное в механизмы.
- Организаторские способности. Развивай умения организовывать свою работу и работу твоих друзей.
- Математические способности. В инженерной профессии много данных связанных с расчетами и геометрическими построениями, тебе в них придется разбираться.
- Высокое чувство ответственности за результат своей работы. Конструкция должна приносить пользу людям и ты обязан думать о её назначении.
Инструментом изобретения может стать для тебя любой материал. Если конструкторы не дают возможности собрать задуманный механизм, смело применяй бумагу, клей, пластилин и другие вещи.
Тебе понадобится умение использовать измерительные и чертежные приборы: линейка, транспортир, карандаш, резинка. Я предлагаю тебе записывать, зарисовывать и снимать на видео собранные тобой конструкции, они тебе понадобятся при дальнейшем конструировании сложных моделей.
Проблемные ситуации, как средство для развития мыслительной деятельности на уроках робототехники.
Проблемные ситуации, как средство для развития мыслительной деятельности на уроках робототехники.
Одной из главных задач каждого преподавателя сегодня - не только обеспечить прочное и осознанное усвоение знаний, умений и навыков, но и способствовать развитию способностей обучающихся, приобщению их к творческой деятельности.
«Начальным моментом мыслительного процесса обычно является проблемная ситуация. Мыслить человек начинает тогда, когда у него появляется потребность что-то понять» (С. Л. Рубинштейн, «Основы общей психологии гл. Χ, стр. 73).
Поиски путей преодоления возникающих трудностей способствуют возникновению у обучающихся потребности в приобретении нужных знаний и умений, т. е. стимулируют его познавательную деятельность. Необходимо предоставить возможность экспериментировать и не бояться ошибок, выдвигать гипотезы и учиться их доказывать или опровергать, воспитывать у обучающихся смелость быть не согласными с преподавателем.
По моему мнению, уроки робототехники должны преподаваться в атмосфере дружелюбия, увлечённости, естественной реакции большинства обучающихся, а также взаимопонимания и сотрудничества.
Важно в процессе обучения ставить перед обучающимися, на уроках маленькие проблемы типа: « Что бы это значило?» - и стараться совместно с ними ответить на поставленный вопрос. Этот метод применяется в личной практике не один год и есть основания полагать, что он действенно помогает в усвоении изучаемого материала.
Так как же создавать эти проблемные ситуации, какие требования необходимо при этом соблюдать?
1. Проблема должна быть доступной пониманию, т. е. сформулирована в известных обучающимся терминах.
2. Выдвигаемая проблема должна быть посильной.
3. Формулировка проблемы должна заинтересовать обучающихся. Многие задачи, имеющие глубокое техническое содержание, бывают оформлены в виде простой модели. Такая форма привлекает внимание обучающихся, вызывает интерес.
4. В-четвёртых, не малую роль играет естественность постановки проблемы. Если обучающихся заранее предупредить о том, что будет решаться проблемная задача, то мысли о переходе к более трудному могут не вызвать интереса у них. На уроке проблемная ситуация должна возникать как часть общей работы.
Проиллюстрируем на следующем примере:
Пример.
В понимании обучающихся преподаватель – это человек, который знает всё и который не может ошибиться никогда, и они слепо копируют его решение. Можно начать с показа того, что преподаватель собирает робототехнический механизм, который, в конечном счете, не может выполнить поставленной задачи – преподаватель обычный человек и может ошибиться. В конце необходимо спросить: почему же механизм не работает. Попробуйте найти мою ошибку. В результате почти все увлечённо решают данную задачу и с восторгом находят ошибку преподавателя. Они увлеченно решили проблему. Многократные тренировки такого рода заставляют обучающихся очень внимательно следить за мыслью и решением преподавателя. Результат – внимательность и заинтересованность на уроках.
Такие проблемные ситуации можно создавать практически на каждом уроке робототехники и совместно с обучающимися успешно с ними справляться. Они могут возникать на различных этапах урока, но в любом случае ведут к активизации познавательной деятельности обучающихся и это сказывается на общих результатах обучения.
Таким образом, создание проблемных ситуаций на уроках робототехники не только формирует ту систему технических знаний, умений и навыков, которая предусмотрена программой, но и самым естественным образом развивает у обучающихся творческую активность. Ситуация затруднения обучающегося в решении задач приводит к пониманию им недостаточности имеющихся у него знаний, что в свою очередь вызывает интерес к познанию и установку на приобретение новых.
Автор Мещеряков Виталий Владимирович
WRO 2017 творческая категория
Роботы для устойчивого развития
Задание этого года заключается в создании робота, который способствует более устойчивому развитию вашего региона, следуя достижению одной из перечисленных целей:
Таким образом, каждый робот способствует достижению цели превращения нашего мира в более хорошее место. Более подробная информация о выбранных целях, полное описание можно найти на сайте Sustainable Development Goals (Цели устойчивого развития).
