XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Электрический лесопосадочный автомобиль «Лес-1» на базе конструктора LEGO WeDo 1.0
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
С самого раннего детства нам известно, что лес-легкие планеты.
Благодаря лесам очищается и вырабатывается кислород, регулируется водный баланс в период весеннего таяния снегов, снижается уровень пыли.
В России-лес одно из главных достояний.
Согласно данным Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации территория, принадлежащая лесному фонду составляет 1,18 миллиардов гектар, однако всего 770 миллионов из них покрыто растительностью. [3]
Ежегодно лес погибает не только от сезонных пожаров, но и от законной и незаконной вырубки, часть лесов страдает от добычи полезных ископаемых или строительства дорог, так же деревья повреждают болезни и вредители.
Специалисты Всемирного фонда дикой природы оценили потерю лесов в 2020 году в 4,6 миллиона гектар.[6]
Не смотря на меры, принимаемые в рамках государственной программы «Охрана окружающей среды», по данным Федерального агентства лесного хозяйства ежегодно восстанавливается не более 1 миллиона гектар леса, однако существенная часть этих посадок гибнет из-за недолжного ухода. [4]
Нас очень обеспокоил факт гибели больших площадей леса, ведь от их состояния напрямую зависит экология нашей планеты, а значит и здоровье нас и наших будущих поколений, значит проблема восстановления лесов является актуальной.
Наша команда решила провести эксперимент, и выяснить, возможно ли автоматизировать высадку деревьев в опустевших степях с минимальными трудовыми и финансовыми затратами, сделав восстановление «легких планеты» более эффективным.
Цель исследования - изучение возможностей электрического лесопосадочного автомобиля «Лес-1» в рамках государственной программы Российской Федерации «Охрана окружающей среды».
Задачи исследования:
- изучить способы высадки лесов в России;
- провести сравнительный анализ способов лесопосадочных работ в России и зарубежных странах;
- создать модель электрического лесопосадочного автомобиля «Лес-1» на базе конструктора LEGO WeDo 1.0;
- провести эксперимент по запуску электрического лесопосадочного автомобиля «Лес-1»;
-продемонстрировать 1 рабочий день электрического леспосадочного автомобиля «Лес-1».
- проанализировать эффективность использования электрического лесопосадочного автомобиля «Лес-1» и перспективы его использования в России.
В качестве основных источников информации мы использовали следующие источники:
- государственную программу Российской Федерации «Охрана окружающей среды», взятую с официального сайта правительства Российской Федерации (http://docs.cntd.ru/document/499091755);[5]
- официальный сайт Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации (https://www.mnr.gov.ru/theme/lesnye_resursy/); [3]
- интернет-журнал ЛЕСПРОМ информ для профессионалов лесо промышленного комплекса (https://lesprominform.ru/jarticles.html?id=4177); [4]
- официальный сайт WWF (https://wwf.ru/about/positions/pozitsiya-wwf-rossii-po-posadke-lesa/) [6].
При оформлении проекта мы использовали книгу «Гениальные LEGO изобретения». [2]
Для создания движущихся частей проекта были использованы методические рекомендации о простых и сложных механических передачах (https://vk.com.mrbrain_tmn).[1]
Глава 1. Теоретическое исследование лесопосадочных работ в России и зарубежных странах, и их сравнительный анализ.
1.1 Способы посадки лесов в России
Помимо естественного возрождения лесов существует несколько способов восстановления популяции деревьев человеком.
Сотрудники лесного хозяйства начинают восстановление леса с выбора и подготовки почвы для посева и выбора саженцев.
В лесопитомниках выращивают саженцы с несколькими видами корневой системы: саженцы с открытой корневой системой; саженцы с вертикально ориентированной корневой системой; саженцы с компактной корневой системой. [4]
Различие видов необходимо для удачной посадки, так как различные территории имеют разные погодные условия, влажность и рыхлость почвы и различное насыщение питательными веществами.
Саженцы с открытой корневой системой подвержены засыханию-они подходят для посадки на влажной территории, у последних двух видов форма корней специально сформирована человеком для более успешной посадки на засушливых территориях. Особенно эффективны в посадке саженцы с контейнерной корневой системой, так как они лучше переносят перевозки, в контейнеры частично добавлены питательные вещества, что дает дереву время прижиться на новой территории (Приложение, Рисунок 1.1.1).
Когда саженцы готовы можно приступать к посадке деревьев.
В России в основном высаживают деревья вручную, однако в зависимости от территории пользуются несколькими способами.
Первый способ-когда почву под посадку готовят с использованием сельско-хозяйственной техники. Почву рыхлят при помощи плугов или лопат, сельскохозяйственных тракторов и форвардеров, затем почву увлажняют и при необходимости удобряют, делая ее химические и физические свойства более благоприятными для саженцев. (Приложение, Рисунок 1.1.2) Затем сотрудники лесного хозяйства, волонтеры и добровольцы расставляют саженцы рядами каждые полтора-два метра в готовые борозды, и утрамбовывают лопатами. В таком случае выбирают саженцы с открытой корневой системой и обязательно следят за тем, чтобы корни не высохли при посадке (Приложение, Рисунок 1.1.3). [4]
Второй способ посадки-использование ручного инвентаря. К нему прибегают, когда территория под лесопосадку не подходит для работы специализированной техники. Основная работа ложится на плечи человека-волонтеры вручную готовят почву и лунки для саженцев с вертикально ориентированной и компактной корневой системой. [5]
В этом способе применяют либо лопаты, либо меч Колесова. С их помощью в почве делают углубление, затем в готовую лунку наливается вода и добавляются удобрение, после помещают саженец и утрамбовывают вокруг землю (Приложение, Рисунок 1.1.4).
Оба способа- с использованием техники и с использованием исключительно ручного инвентаря требует больших трудозатрат и ресурсов, организации работы большого количества людей. [6]
1.2 Способы посадки лесов в зарубежных странах
Во многих странах, аналогично России, лес высаживают преимущественно используя ручной труд, однако стараются все больше механизировать процесс посадки деревьев, делая его более быстрым и экономически выгодным.
Например, в Финляндии обработка почвы полностью проходит механизированным способом. Обработка почвы, посадка саженцев, выполняются при помощи одной и той же техники, что сокращает использование ручного труда и позволяет обеспечить дорогостоящую технику работой круглый год. Лесозаготовки и посадка молодых деревьев проводится при помощи форвартеров и экскаваторов. Летом объем лесозаготовок небольшой, соответственно техника может быть задействована для посадки лесов обеспечивая занятость высококвалифицированным специалистам (Приложение, Рисунок 1.2.1) [6]
Так же, техника для работы в лесах усовершенствуется, например, появляются машины для удаления лишней растительности с корнем. Так же финны стараются проводить несколько операций одновременно, используя ручной труд. Использование машин позволяет параллельно посадке деревьев проводить обработку саженцев от паразитов или удобрять почву (Приложение, Рисунок 1.2.2). [4]
В Латвии способы посадки деревьев очень похожи на те, что используются в России. На месте вырубленного леса при помощи техники рыхлится почва, затем трактор с плугом делает борозды куда работники лесохозяйственного комплекса высаживают саженцы деревьев. При этом используется специальный аппарат, похожий на дырокол или большую трубку. При ее помощи делается лунка в земле, туда помещается саженец и утрамбовывается ногой 9приложение, Рисунок 1.2.3). [4]
Самый инновационный способ на сегодняшний день придумали в Канаде. Канадские изобретатели придумали проект «FlashForest»-летающий лес. Саженцы помещаются в тяжелый дрон, который, при помощи пневматического устройства выстреливает специально подготовленными посадочными стеблями. Внутри стебля находятся от трех до пяти пророщенных семени и удобрения, которые при попадании в почву должны вырасти в хвойное дерево. Создатели этого проекта считают, что используя такой способ посадки деревьев обойдется на 80% дешевле, чем использование ручного труда и специализированной техники (Приложение, Рисунок 1.2.4). [6]
1.3 Сравнительный анализ способов посадки леса в России и зарубежных странах.
Рассмотрев способы посадки леса в России, Финляндии, Латвии и Канаде можно сказать, что, не смотря на использование специализированной техники для подготовки почвы, орошения и создания борозд под посадку хвойных саженцев, ручной труд очень востребован.
Больше всего используют человеческие ресурсы и ручной инвентарь в России и Латвии, часто в совокупности с работой специализированной техники. Плугами и форвардерами готовят землю под посадку, а затем вручную высаживают саженцы, после чего орошают почву. Такой способ проверен годами, и благодаря ему можно точнее отследить объем прижившихся и погибших растений.
Наиболее новаторский взгляд на посадку лесов продемонстрировала Канада, однако, оценить эффективность посадки саженцев с помощью летающих дронов можно будет только через пару лет.
Наиболее рациональный и экономически эффективный способ использования техники выбрали в Финляндии, где одна и та же техника позволяет и заготавливать лес и восстанавливать его.
Исходя из этого, можно сказать, что самым целесообразным способом является использование ручного труда, наряду с многофункциональной техникой, которая позволит рыхлить почву, перевозить большое количество саженцев и орошать почву.
Глава 2. Модель электрического лесопосадочного автомобиля «Лес-1» на базе конструктора LEGOWeDo 1.0
2.1 Конструкция и функции модели электрического лесопосадочного автомобиля «Лес-1» на базе конструктора LEGO WeDo 1.0
Модель электрического лесопосадочного автомобиля «Лес-1» создана на базе конструктора LEGOWeDo 1.0 и включает в себя 3 мотора, 2 коммутатора и один датчик расстояния (Приложение, Рисунок 2.1.1).
У лесопосадочного автомобиля три пары колес, что делает его устойчивым. «Мотор 3» находится у средней оси. Он приводит автомобиль в движение при помощи понижающей угловой зубчатой передачи. (Приложение, Рисунок 2.1.2). [1]
На рабочей части автомобиля находятся: бак для орошения почвы, плуг, короб для расположения саженцев и подъемный кран для их транспортировки и посадки. [2]
Подъемный кран для работы использует два мотора. «Мотор 2» отвечает за поворот конструкции крана при помощи угловой зубчатой передачи. Когда крюк крана находится над коробом сотрудник подвешивает к нему саженцы, кран разворачивается и опускает их на землю. Если саженцы маленькие, то он может транспортировать контейнеры с множеством молодых особей, которые затем рассадят вручную. Если деревья большие, с корневой системой, находящейся в контейнере, кран может самостоятельно распределить их в борозде. (Приложение, Рисунок 2.1.3)
«Мотор 1» отвечает за лебедку, благодаря которой контейнеры с саженцами поднимаются из короба и опускаются в подготовленную почву. (Приложение, Рисунок 2.1.4) [1]
Электрический лесопосадочный автомобиль «Лес-1» устроен так, что впереди идущие плуги разной высоты рыхлят почву и создают борозды, вода с удобрениями из цистерны орошает и обогащает почву, кран распределяет саженцы. Автомобиль «Лес-1» задуман электрическим, так как при использовании электро-транспорта выделение вредных веществ в атмосферу минимально, соответственно выхлопные газы не повредят неокрепшим деревцам.
2.2 Управление электрическим лесопосадочным автомобилем «Лес-1» с помощью программного обеспечения LegoWeDo.
Проект электрического лесопосадочного автомобиля «Лес-1» запускается при помощи программного обеспечения LegoWeDo. Она отвечает за движение автомобиля, изменение положения подъемного крана и за работу его лебедки.
Передача задач для каждого мотора осуществляется при помощи обмена сообщениями, а за порядок выполнения задачи отвечают циклы и время работы каждого мотора (Приложение, Рисунок 2.2.1).
2.3. Демонстрация проекта: Рабочий день электрического лесопосадочного автомобиля «Лес-1».
Автомобиль «Лес-1» работает в паре с оператором. Автомобиль заряжают на станции и привозят на территорию, выбранную для посадки деревьев.
«Лес-1» осуществляет движение только прямо, чтобы не навредить саженцам. Оператор автомобиля выполняет несколько функций: следит за зарядом автомобиля, следит за количеством саженцев, помогает их распределять, подцепляя их на крюк крана.
Когда автомобиль оказывается на месте, начинает свою работу «Мотор 3»-автомобиль начинает движение вперед.(Приложение, Рисунок 2.3.1)
Плуги, находящиеся на передней части автомобиля, рыхлят землю, передние плуги чуть длиннее, для того, чтобы делать аккуратную борозду для посадки саженцев. Над плугами находится цистерна с водой и растворенными в ней удобрениями, которая сразу увлажняет рыхлую почву, что позволяет саженцам с открытой корневой системой не пересыхать, пока землю не утрамбуют, а удобрения в ней обогащают почву. (Приложение, Рисунок 2.3.2)
В центральной части расположены саженцы в специальных контейнерах, которые позволяют безопасно их транспортировать.
Когда «Мотор 3» останавливается, он отправляет письмо «Мотору 1».
Оператор зацепляет за крюк первый контейнер с одним саженцем, затем «Мотор 1» поднимает его и отправляет письмо «Мотору 2». (Приложение, Рисунок 2.3.3)
«Мотор 2» поворачивает кран с саженцем на крюке на 180 градусов, и отправляет сообщение «Мотору 1», чтобы тот опускал саженец в землю. (Приложение, Рисунок 2.3.4). После того, как саженец будет на земле, «Мотор 1» возвращает крюк в исходное положение и отправляет сообщение «Мотору 2», для поворота конструкции в рабочее положение. (Приложение, Рисунок 2.3.5).
«Мотор 2» возвращает конструкцию крана в исходное положение, (Приложение, Рисунок 2.3.6) и действия повторяются вновь: автомобиль проезжает, плуги раскапывают почву и делают борозду, вода из цистерны орошает и удобряет рыхлую почву, автомобиль останавливается, оператор зацепляет за крюк контейнер с саженцем, кран его поднимает, поворачивается и опускает его на землю. И так продолжается до тех пор, пока не закончатся саженцы.
Все эти действия моторы должны выполнить в определенный промежуток времени, так как автомобиль останавливается всего на несколько секунд.
Основная задача оператора успевать зацеплять саженцы.
Не смотря на многофункциональность автомобиля «Лес -1», он не может безопасно для молодых деревьев утрамбовывать землю, поэтому эта задача остается на плечах работников лесного хозяйства.
Заключение
Лес-важнейшая экосистема планеты. Благодаря лесам очищается воздух, снижается уровень пыли, регулируются весенние паводки.
Однако лес не защищен. Ежегодно большие территории гибнут из-за пожаров, лесозаготовок и незаконных вырубок ценных пород древесины.
Проблема гибели леса актуальна для всего человечества, так как от благосостояния лесов зависит атмосфера нашей планеты, кислород, которым дышим мы и которым будут дышать наши дети и внуки.
Процесс восстановления лесов очень трудоемкий и требует большого вложения человеческих трудов, времени и сил начиная от выращивания саженцев и заканчивая уходом об окрепших деревцах.
Рассматривая опыт разных стран, можно сказать, что эффективнее всего, когда человек работает совместно с многофункциональной техникой, которая не только облегчает труд, но и сокращает расходы, число сотрудников, необходимых для посадки большого количества саженцев и экономит бюджет.
Рассмотрев способы посадки леса и необходимую технику, мы пришли к выводу, что универсальный помощник должен выполнять следующие функции: рыхление почвы, орошение, удобрение, перевозка, создание борозд и равномерное распределение саженцев по большой территории.
Руководствуясь этим набором функций, мы создали электрический лесопосадочный автомобиль «Лес-1» на базе конструктора LEGO WeDo 1.0, который не только помогает в восстановлении леса, но и не загрязняет атмосферу выхлопами и не вредит уже растущим деревьям.
Собранная в ходе создания проекта информация, и испытание нашей модели показали, что использование многофункционального автомобиля для посадки лесов, заменяющего сразу несколько видов специализированной техники и выполняющий одновременно несколько функций сэкономит время работ, количество рабочей силы, что делает его применение в работе лесного хозяйства эффективным.
Данная модель может применяться на уроках биологии, информатики, физики и робототехники в школах.
Список использованных источников и литературы
Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;
«Гениальные LEGO изобретения»; [пер. с англ. М. Карманова].- Эксмодетство, 2020 г.
Интернет-источники
https://www.mnr.gov.ru/theme/lesnye_resursy;
https://lesprominform.ru/jarticles.html?id=4177;
http://docs.cntd.ru/document/499091755;
https://wwf.ru/about/positions/pozitsiya-wwf-rossii-po-posadke-lesa/.
Приложение
|
Рисунок 1.1.1 |
Рисунок 1.1.2 |
|
Рисунок 1.1.3 |
Рисунок 1.1.4 |
|
Рисунок 1.2.1 |
Рисунок 1.2.2 |
|
О |
|
|
Рисунок 1.2.3 |
Рисунок 1.2.4 |
|
Рисунок 2.1.1 |
Рисунок 2.1.2 |
|
Рисунок 2.1.3 |
Рисунок 2.1.4 |
|
Рисунок 2.2.1 |
|
|
Рисунок 2.3.1 |
Рисунок 2.3.2 |
|
Рисунок 2.3.3 |
Рисунок 2.3.4 |
|
Рисунок 2.3.5 |
Рисунок 2.3.6 |