XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Универсальная установка для использования энергии человека: исследование проблемы, сборка установки

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Хисамов Г.Р. 1Свирид Г.В. 1Попов А.С. 1Шипачев П.С. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Попова Е.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Работа в формате PDF

3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире человек становится все менее активным. Цифровые технологии и ограничительные карантинные меры не стимулируют людей на занятия спортом. Следствием малой активности является ухудшение здоровья. Человек порой не задумывается о том, что полезнее будет подняться по лестнице пешком, нежели на лифте. А вместе с тем, уменьшение естественной активности человека связано ещё и с использованием электричества. На примере того же лифта – человек не активен, для подъема вверх затрачивается электричество. Производство электричества, в свою очередь, напрямую связано с сжиганием газа или угля: тепловая энергия превращается в механическую, а затем и в электрическую. Расход природных исчерпаемых ресурсов - газ, уголь, нефть, ведет к пагубному увеличению углекислых газов в атмосфере планеты.

Таким образом, мы видим две серьезные проблемы на сегодняшний день: мы тратим природные ресурсы и становимся менее активными, что приводит к ухудшению физического здоровья людей и к негативному изменению экологии планеты! Технологии будущего ученые очень тесно связывают с экологически чистыми источниками энергии. Мы задумались над этим и выяснили, что одним из способов для выработки альтернативной энергии можно считать преобразование физической энергии человека в электрическую. Также данный способ выработки энергии поможет людям поддерживать себя в хорошей физической форме.

Цели проектной работы:

Разработать способ аккумулирования и использования чистой энергии человека для домашних нужд и, тем самым, мотивировать людей на занятия спортом.

Задачи:

изучить проблему отсутствия мотивации для занятия спортом;

посетить тренажерный зал для того, чтобы узнать, что мотивирует людей;

провести исследование: заинтересованы ли люди в выгодном использовании энергии человека;

проанализировать возможные пути использования энергии человека;

изучить работу электрогенератора и создать простую модель;

познакомиться с опытом других людей по получению электричества от велосипеда в домашних условия;

разработать универсальную установку для выработки электричества в домашних условиях;

разработать дополнительную мотивация для занятия спортом на нашей установке;

узнать мнение нескольких экспертов, получить рекомендации и доработать проект;

продемонстрировать работу установки;

Мы перед собой поставили большое количество задач. Благодаря тому, что нас в команде 8 человек (Приложение, Рисунок 1.0), мы успешно справились со всеми задачами. Мы разделились на две команды по 4 человека и поделили задачи. Подробно принцип работы электрогенератора, создание простейшего генератора своими руками, эксперименты с электросхемой нашей установки и мнение одного из экспертов будут рассмотрены в работе других ребят из нашей команды «Универсальная установка для использования энергии человека: простейший электрогенератор, электросхема установки». Эта работа также представлена в секции «физика» на XII Международном конкурсе научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» Российской Академии Естествознания.

Глава 1 Проблема вовлечения людей в различные виды активности

Человек должен быть активным, чтобы быть в хорошей физической форме. А зачем человеку хорошая физическая форма? Правильно, чтобы охотиться на мамонта! К сожелению, в современном мире нет таких ярких мотиваций как «охота на мамонта», человека живет в комфортных «умных» условиях. Даже за едой можно уже не ходить – несколько нажатий пальцем в телефоне и еда у тебя на пороге! Зачем двигаться? Вместе с тем, каждый понимает, что движение необходимо для того, чтобы быть здоровым! Но для многих это знание не является яркой мотивацией, большинство людей на нашей планете малоактивны.

В ходе работы над проектом, мы выявили основные причины, по которым человек не занимается спортом [1]:

Первая причина – лень.

В этом случае человек придумывает мелкие отговорки, почему ему не хочется заниматься спортом. (Приложение, Рисунок 1.1).

Вторая причина - сидячий образ жизни.

Чаще всего это касается тех людей, чья профессия связана с работай за компьютером. Сидячий образ жизни является причиной возникновения множества заболеваний. (Приложение, Рисунок 1.2)

Третья причина - недостаток времени.

Это тот, кто много работает и времени не хватает на занятие спортом и поддержание себя в хорошей физической форме. (Приложение, Рисунок 1.3).

Четвертая причина - отсутствие мотивации.

Мы считаем, что это главная причина! Все другие причины нежелания заниматься спортом появляются именно из-за отсутствия мотивации.

Мы увидели несколько способов замотивировать человека в любой ситуации [2]: деньги, отличный внешний вид, еда, подписки на интернет платформы, купоны (Приложение, Рисунок 1.4).. Конечно, если бы нам платили деньги за занятия спортом, то активных людей стало бы больше! Можно сделать вывод, что главная мотивация для выполнения действия, которое человеку не интересно, это личная выгода от этого действия. То есть, если человеку будет выгодно заниматься спортом, то он будет это делать чаще, а может быть и каждый день!

В нашей проектной работе мы предлагаем рассмотреть выгоду для человека в экономии на затратах на электроэнергию: человек занимается спортом и вырабатывает электричество для домашних нужд.

Давайте рассмотрим кардио-тренажеры: «Велотренажер», «Эллипс» и «Беговая дорожка». На экскурсии в фитнес-центр в Athletic Gym г.Тюмени мы сами попробовали позаниматься на этих тренажерах (Приложение, Рисунок 1.5). Человек дает нагрузку на сердце, учащается сердцебиение, ускоряется кровообращение. В процессе тренировок человек расходует свою энергию, активно потеет.

В среднем человек на велотренажере теряет 400 калорий в час [3], что эквивалентно 1600 Дж энергии. Таким образом, калории преобразуются в энергию, которые мы сжигаем при помощи тренажеров и она расходуется в никуда! У нас возникло предложение – можно преобразовывать энергию селовека и использовать ее для своей выгоды.

Представьте, вы вращаете педали, ваша энергия расходуется и превращается в механическую, которая затем преобразуется, например, в электрическую, которую вы можете использовать (Приложение, Рисунок 1.6). Здорово!

Глава 2. Исследование – тест «Спорт в нашей жизни»

Мы провели исследование и опросили 255 жителей Тюмени. Мы создали тест «Спорт в нашей жизни», где задали несколько вопросов связанных с занятиями спортом:

1) Как часто вы занимаетесь спортом?

2) Где вы предпочитаете заниматься спортом?

3) Какие виды тренажеров вы предпочитаете?

4) Какой из кардио-тренажеров вы бы хотели иметь дома?

5) Слышали ли вы о выработке электричества при помощи тренажеров?

6) Как вы думаете, существуют ли тренажеры, которые вырабатывают электричество? И, если существуют то сколько они могут стоить?

7) Хотели бы вы вырабатывать электричество при помощи тренажёра у себя дома?

8)Как вы думаете могли бы вы выработать за 2 часа электричество на день с помощью велосипеда?

9) Если бы ваш домашний тренажер смог бы вырабатывать электричество для домашних нужд, вы бы стали заниматься на этом тренажёре чаще?

Одним из важных вопросов было узнать, как часто люди заниматься спортом (Приложение, Рисунок 2.1), 38,2% ответили часто, остальные, то есть больше половины опрошенных нашего города, либо редко (49,1%), либо вовсе не занимаются спортом(12,7%). После этого, нашей целью было узнать, какой кардио-тренажер они хотели бы иметь у себя дома (Приложение, Рисунок 2.2). Самым популярным ответом была беговая дорожка, но и велотренажер тоже был не менее популярным ответом и был на 2 месте. Так же мы хотели узнать, слышали ли они что-нибудь о выработке электричества с помощью тренажеров и существуют ли такие тренажеры (Приложение, Рисунок 2.3). Больше 60% опрошенных слышали и даже знают что такие тренажеры есть, но они очень дорогие. Ко всему этому, мы решили спросить, хотели бы они, вырабатывать электричество, занимаясь спортом на тренажере у себя дома (Приложение, Рисунок 2.4). Заинтересованными в этом оказались 74,5% опрошенных: 41,8% ответили «да» и 32.7% - «возможно».

Таким образом мы плавно подводили к итоговому вопросу, который был связан с нашей целью, а нашей главной целью было выяснить, повысится ли мотивация людей к занятию спортом, если тренажер будет вырабатывать электричество. И более 87% опрошенных ответили, что да или возможно они стали бы заниматься спортом чаще. Наша идея востребована! (Приложение, Рисунок 2.5).

Глава 3. Анализ опыта по созданию электро-вело-тренажеров

Мы рассмотрели современные велогенераторы, которые есть в продаже. Их стоимость колеблется от 190 000 рублей и выше. [6] Большинство тренажёров, вырабатывающих энергию, делают это для собственных потребителей вроде датчиков, кнопок и дисплеев. Тренажёры которые выводят энергию вовне существуют и доступны покупателю, но цена слишком велика для простого обывателя.

Получается, что современные велогенераторы не доступны по цене большинству жителей нашей страны. Однако почти у каждого есть свой велосипед. Летом мы активно катаемся на велосипедах, занимаемся спортом в удовольствие. А зимой или в карантинный период наши велосипеды стоят без дела. И у нас появилась идея использовать свой велосипед для выработки электричества.

Мы задались вопросом «Есть ли опыт создания электро-вело-тренажеров своими руками с использованием своего велосипеда?» Нас заинтересовала видео в ютуб (https://www.youtube.com/watch?v=4lxqos5WHKY), где мужчина, живущий на востоке Украины, собрал велогенератор своими руками. Он решил его создать из-за проблем с электричеством в его регионе. За генератор он взял мотор от вентилятора ВАЗ. В качестве аккумулятора он использовал обычный машинный аккумулятор. Его установка могла накапливать электричество, после чего обеспечивать весь дом. Но эта установка была не универсальна, он использовал составные части, которые были для него доступны.

Мы решили создать подобную установку и сделать её универсальной, то есть доступной для любого человека. Мы запланировали закупить комплектующие, составили таблицу предполагаемых расходов. По плану у нас получилась сумма 10 230 рублей. В процессе сборки мы отклонились от плана, некоторые элементы заменили, некоторые добавили, некоторые позаимствовали у родителей и друзей (в списке у этих элементов стоимость 0 руб). В итоге на создание нашей установки мы потратили 10 530 руб (Приложение, Таблица 3.1).

Глава 4 Создание универсальной установки для велосипеда

Мы решили использовать фанеру в качестве материала для установки под наш велосипед. Этот материал можно приобрести по доступной цене в любом строительном магазине, с ним легко работать.

4.1 Первая 3D-модель установки: первые расчеты

Для успешной реализации установки мы начали разрабатывать первую трехмерную модель. Установка должна была быть простой и доступной в изготовлении, надежной, износостойкой. Получившаяся модель получилась недостаточно простотой в изготовления. По задумке вся установка находится на платформе 500x500 миллиметров. По центру крепится пара пазов под ось колеса со скосами. Они обозначены синим цветом (Приложение, Рисунок 4.1.1). По бокам от них крепятся треугольные ребра для придания жесткости конструкции, они обозначены зеленым.

Сложность изготовления заключалась в том, что паз для оси колеса велосипеда и отверстие под вал генератора были на одной детали обозначенной синим, поэтому нужно было точно рассчитывать расстояние между ними, так как перестроить или подправить его потом будет невозможно. Исходя из данных рассуждений, было решено изменить трехмерную модель.

4.2 Вторая 3D-модель установки: итоговые расчеты

Итак, вторая модель была похоже на исходную, но опоры для оси колеса, обозначенные синим, были сокращены в длине. Генератор, обозначенный желтым, получил подставку и прикручивался на любую часть установки, после размещения велосипеда, чтобы генератор можно было подстроить под текущее колесо (Приложение, Рисунок 4.2.1).

В ходе реализации установки были закуплены необходимые материалы в соответствии с таблицей (Приложение, Таблица 3.1). Изначально установка предполагала шиповое соединения. Были выпилены из фанеры детали необходимого размера и соединены в соответствии с моделью. Но шиповое соединение было недостаточно прочным, поэтому было решено крепить детали дополнительно на металлические углы. Итоговый вид установки представлен на Рисунке 4.2.2 Приложения.

4.3 Сборка всех составляющих установки

В качестве генератора электрического тока мы использовали мотор для автомобиольного вентилятора. При вращении ротора обратно движению в обмотке электромотора вырабатывается электричество. В качестве вала вращения, приводимого в движение колесом велосипеда мы использовали патрон от дрели.

Принцип работы универсальной установки для выработки электричества от велосипеда (Приложение, Рисунок 4.3.1): начинаем крутить педали от них крутится колесо, от колеса вращается ротор генератора, в обмотках статора генератора вырабатывается электричество, которое идёт через диод мост. Диод мост проводит электричество в одну сторону, чтобы от аккумулятора не подавалось электричество обратно и не крутился мотор-генератор. Дальше стоит вольтметр, он показывает напряжение на батарее аккумулятора, когда мы начинаем крутить педали и увеличиваем свою мощность, то вольтметр показывает бὀльшее значение - это значение напряжения выработанного тока. Именно в таком «превосходящем режиме» происходит заряд батареи аккумулятора. После вольтметра стоит одна батарея аккумулятора 6V. Всего у нас 2 батареи и мы их заряжаем по очереди. Также, в нашей электроцепи есть светодиод, который показывает работоспособность нашего проекта: когда мы крутим педали лампочка светится.

После зарядки обе батареи мы соединяем последовательно и получаем 12V постоянного тока, преобразуем их с помощью инвертора в 220V. Выработанное электричество мы можем использовать для некоторых электроприборов: электромассажер, вентилятор, лампа, а также можем заряжать телефон и другие гаджеты. Для нагревательных электроприборов (утюг, чайник, фен и др) нашему устройству не хватает мощности.

Глава 5. Встреча с экспертом Игорем Вихлянским, специалистом в области энергоснабжения.

Мы встретились с Экспертом Вихлянским Игорем Товьевичем. (Приложение, Рисунок 5.1) Игорь Товьевич по профессии инженер-математик (ВИКА имени А. Ф. Можайского, математическое обеспечение АСУВ). В настоящее воемя работает директором ООО «Смарт Системз» (www.smart-72.ru). Его компания занимается установкой умных систем в частные дома, энергосбережением, светодиодным освещением. Эксперт отметил, что в области альтернативной энергии, в Тюмени, мы первооткрыватели. Эксперт отметил следующее:

особенно ценно то, что сделали «реальную» модель, мы собрали цепь сами;

для Тюмени важно привлекать людей к экономии энергии и использованию альтернативных источников. В сравнении с Екатеринбургом, Москвой, Санкт-Петербургом Тюмень инертный город в плане внедрения новых технологий.

энергию человека можно использовать в любой точке земного шара с помощью нашей установки, в отличие от солнечных батарей и ветрогенераторов;

наш проект полезен и для здоровья человека, и в личных нуждах, и для города, и для страны, и для нашей планеты.

Самое важное, что нам порекомендовал Игорь Товьевич: патентуйте и реализовывайте!

Глава 6. Встреча с экспертом Григорием Кудашевым, специалистом в области игр.

Мы пригласили эксперта Григория Николаевича Кудашева для оценки нашего проекта и дополнительных рекомендаций по повышению мотивации людей для занятия спортом (Приложение, Рисунок 6.1).

Григорий Николаевич - игро-педагог, методист, автор научно-методических и учебных пособий по играм. Он дал высокую оценку нашему проекту и сказал: «Ваш проект стремительно врывается в настоящее! Энергия человека может быть использована».

Рекомендации эксперта для повышения мотивации к занятию спортом на нашей установке:

предложить не только тренажер, но и разработать игру;

добавить соревновательность;

сделать реиграбельность;

создать приложение для объединения людей в этой игре.

Мы выполнили почти все рекомендации!

Глава 7. Игра «ЭрогЦикл»

Наша игра называется «ЭргоЦикл», от слов «энергия» (эрг) и «цикл» и означает цикл превращения энергии от человека в электричество и далее в электроприборы на пользу человеку (Приложение, Рисунок 7.1). Суть игры в цикличности, можно бесконечное количество раз вырабатывать энергию, тратить ее на необходимые нужды или приятный бонусы, и снова повторять игру.

1 ЭРГ-это валюта, которую мы даём за две минуты вращения педалей велотренажера (Приложение, Рисунок 7.2). Интервал две минуты достаточный чтобы зарядить два аккумулятора, то есть по одной минуте на каждый. Этот временной интервал мы получили экспериментально. Наши батареи мы заранее полностью разрядили, на это нам потребовалось 18 часов, электричество тратилось на работу фильтра в аквариуме. Затем мы поочереди заряжали каждую батарею в течение 1 минуты с помощью нашей установки. Подключили обе батареи последовательно к инвертору и включили электромассажер. Он проработал ровно минуту. Поэтому мы взяли 2 минуты как эквивалент минимальной единицы энергии для дальнейшего обмена на 1 минуту работы электроприбора.

ЭРГи можно обменять на приятные бонусы. В виде бонусов мы предлагаем воспользоваться на выбор несколькими электроприборами (Приложение, Рисунок 7.3). За две минуты выработки энергии на велотренажёре вы получаете 1 ЭРГ который вы можете обменять на приятный бонус или накапливать ЭРГи  на более «дорогой» бонус.

Глава 8. Встреча с экспертом Еленой Ренёвой, маркетологом, таргетологом, техническим директором.

Мы встретились с Экспертом Ренёвой Еленой. Она является маркетологом и техническим директором крупных московских компаний: маркетолог - куратор "ДНК Маркетинг", технический директор онлайн школ "Образование за рубежом", таргетолог и технический специалист команды Андрея Парабеллума.

Елена высказала свое мнение о нашем проекте : "У вас готовый продукт, который нужно красиво упаковать, разработать стратегию продвижения и начать продавать, в том числе и франшизу"

Рекомендации для продвижения проекта :

Разработать буклет;

Определить свою целевую аудиторию (ЦА);

Создать сайт, разработать КВИЗы, чат-боты;

Создать и вести аккаунт в instagram;

Разработать стратегию продвижения;

Запустить таргетированную и контекстную рекламы в связке с КВИЗами и чат-ботами;

Обязательно установить на сайт сервисы аналитики, при запуске ретаргетинга использовать данные аналитики и корректировать настройки рекламных кампаний согласно этим данным.

Подготовить документы для патента;

Продумать комплексную упаковку нашего продукта для франчайзинга.

Мы выполнили несколько её рекомендаций:

разработали буклет (Приложение, Рисунок 8.1);

создали аккаунт в инстаграмм - https://www.instagram.com/robostroy72/;

разработали сайт на платформе Tilda - srthudjy.tilda.ws/robostroy;

собрали данные о целевой аудитории с помощью QR кодов расположенных в нашем боксе;

к сайту подключили сервисы аналитики: Google Analytics, Яндекс аналитика, Pixel.

Глава 9. Презентация проекта

Наша команда представила проект на региональных соревнованиях "РобоФест" в городе Тюмени 18 марта 2021 года (Приложение, Рисунок 9.1), а затем и на Всероссийском Национальном Чемпионате «FIRST ROBOTICS CHAMPIONSHIP» в городе Нижний Новгород 23-25 апреля 2021 года.

На Национальном соревновании мы представляли нашу идею в боксе (Приложение, Рисунок 9.2), приглашали всех желающих сыграть с нами в игру «ЭргоЦикл» и потратить свою энергию с выгодой. Мы разработали расписание, чтобы было определенное время для зарабатывания ЭРГов и время для их обмена (Приложение, Рисунок 9.3).

Перед игрой мы знакомили каждого участника с «Инструкцией эксплуатации установки»:

сядьте спокойно на велосипед;

нажмите старт на секундомере и начинайте крутить педали;

крутите с постоянной мощностью, таким образом, чтобы вольтметр показывал значение немного выше исходного. Именно в таком режиме происходит заряд аккумулятора;

в процессе тренировки находитесь в положении сидя, старайтесь максимально держать равновесие, чтобы установка сохранила свою целостность;

по окончанию тренировки, плавно остановитесь и спокойно сойдите с тренажера.

За всё время работы в боксе к нам пришло около 40-50 человек. Нам удалось активно привлечь и детей, и взрослых к занятию спортом на нашем велосипеде. Были люди, которые крутили педали продолжительное время от 10 до 20 минут, делали перерыв и вновь приходили. Были и рекордсмены - молодой человек показал рекорд в 26 минут, затем тратил ЭРГи одновременно и на электромассажер, и на игру на NintendoSwich (Приложение, Рисунок 9.4). Впечатления у всех были потрясающие. Мы всем рассказывали проект, раздавали буклеты и приглашали поучаствовать в игре. А также обращали внимание каждого, что такую установку может сделать каждый, список всего необходимого напечатан в буклете (Приложение, Рисунок 9.5), размеры основы из фанеры индивидуальны для каждого колеса и рассчитаны по диаметру, также чертеж представлен в буклете (Приложение, Рисунок 9.6). Окружающим нравилось то, что мы придумали. Нам удалось привлечь большое количество людей к активному занятию спортом. Приглашаем и вас!

Заключение

Мы определили, что для человека важна мотивация для регулярного занятия спортом. Побывав на экскурсии в тренажёрном зале, мы увидели, что, занимаясь на различных тренажерах много энергии тратиться впустую. Если научиться её собирать и использовать, то можно не только поддерживать себя в хорошей форме, но и, как бонус, тратить выработанную энергию на свои нужды. И это может стать отличной мотивацией для физической активности! Мы провели исследование и увидели, что выработка электричества в процессе занятия спортом является мотивацией для 80 % опрошенных.

Изучив материалы, мы поняли, что источником электричества может стать любая механическая энергия вращения. Мы самостоятельно собрали простейший генератор для демонстрации выработки электричества при помощи механической энергии.

Мы рассмотрели возможные варианты устройства велотренажера, самодельные и в продаже, с функцией генерации электричества. Спланировали свою установку, создали, протестировали и усовершенствовали её.

Рассказали одноклассникам, продемонстрировали экспертам, получили высокую оценку и рекомендации. Реализовали некоторые рекомендации и успешно отработали с проектом на большой аудитории на Всероссийском Национальном Чемпионате «FIRST ROBOTICS CHAMPIONSHIP» в городе Нижний Новгород 23-25 апреля 2021 года. Мы получили высокий результат! Цель проекта достигнута! Умная и выгодная трата калорий с помощью нашей установки – является большой мотивацией для людей любого возраста!

Мы продвигаем наш проект: разработали буклет, создали страницу в инстаграм и свой сайт. Универсальную установку по силам сделать каждому, подробная инструкция в открытом доступе. Наш проект помогает не только отдельному человеку, но и, используя альтернативный источник чистой энергии, помогает городу, стране и нашей планете!

Список используемых интернет-источников:

https://republic.ru/posts/90212

https://studme.org/86631/menedzhment/dengi_sredstvo_motivatsii

https://mir-sporta.com/news/skolko-kaloriy-szhigaetsya-na-velotrenazhyore/

https://ru.wikipedia.org/wiki/Генератор

https://www.youtube.com/watch?v=k7Sz8oT8ou0&feature=emb_logo

https://www.sportdoma.ru/catalog/trenazher/velo/generatornye/

Приложение