XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Механика цепляющего движения
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Аннотация. Новая задача появилась из бионики после наблюдения за пауком. Движение паука привлекло внимание, потому что насекомое без труда передвигалось по шероховатым поверхностям, по стене и потолку. Паук легко двигается по камням. При этом размеры препятствия для него не важны. Способ передвижения сразу же отличает паука от человека и животных. Например, человек не может перешагнуть через высокий камень, а паук движется по нему как по обычной поверхности. После наблюдения за насекомым появилось много вопросов. Нужно ли копировать в роботах и шагающих машинах движение ног паука? Одинаково или нет ходят человек и паук? Чем нога паука отличается от ноги человека? Почему у паука 8 ног, а у человека две? Почему на ноге паука нет стопы? Оказалось, что ответы на многие вопросы даёт траектория движения опоры. Эту траекторию можно нарисовать схематично, если по кадрам посмотреть видеозапись движения паука. Полученный результат был применён при создании модели новой машины. Движущийся механизм и машина доказали правильность рассуждений о сравнительном анализе движения животных и насекомых, который можно применить в перспективной технике.
Анализ литературы и теория шагающего движения.
После наблюдения за движением паука начался анализ информации по теории шагающего движения [1]. Классическим аналогом шагоходов служит «Стопоходящая машина» Пафнутия Львовича Чебышева. Для дальнейшего исследования нужна не сама машина, даже не лямбдаобразный механизм, а только шагающая траектория рабочей точки. Для изучения шагающего движения были выбраны три механизма.
Первый механизм – механизм П.Л.Чебышева. Это классический лямбдаобразный механизма русского инженера и учёного Пафнутия Львовича Чебышева [2]. Этот механизм П.Л.Чебышев применил для создания «Стопоходящей машины» [3]. Схема механизма П.Л.Чебышева показана на рис.1 рядом с фотографией обложки книги – источника информации [2], а справа показана авторская модель устройства, выполненная из дюралюминиевых планок, на корпусе из оргалита с шарнирами из винтов и гаек М6. Гайки проложены шайбами для уменьшения трения.
Рис. 1. Шагающий механизм П.Л.Чебышева [2]
Шагающая траектория в механизме П.Л.Чебышева обладает свойствами, которые наблюдаются при движении человека или животных. В шагающей траектории четыре участка. Особенность механизма П.Л.Чебышева в том, что русский инженер перенёс свойства природы на механизм, повторил в технике то, что природа создавала миллионами лет в процессе эволюции жизни на Земле. На рис.2 показана природная траектория шага человека или животного.
Рис. 2. Природная траектория шага человека
Первым, главным участком является нижний почти прямолинейный отрезок. На нём стопа человека или копыто животного опирается на землю и неподвижно относительно поверхности, то есть не проскальзывает. Если стопа двигается влево относительно человека, то человек относительно стопы и земли идёт вправо, причём без подпрыгиваний, потому что этот участок траектории ровный. Таким способом уменьшается нагрузка на позвоночник, снижаются удары на голову и мозг человека или животного.
Второй участок – это отрыв стопы от земли. Человек поднимает ногу почти вертикально, не стирая подошву ботинка. Если будет проскальзывание, то подошва будет стираться. Сейчас это кажется не существенным. Но если вспомнить далёкую историю, когда у первобытных людей не было обуви, то изобретение природы оказывается важным. Копыто животного защищено прочной костной тканью, у человека кожа стопы беззащитна от стирания, поэтому ногу надо поднимать строго вертикально.
Третий участок – это пассивный перенос стопы вперёд по приподнятой дуге. Он приблизительно в два раза быстрее, чем нижний опорный прямолинейный участок, потому что выполняется без нагрузки [4]. Высота дуги определяет размеры препятствия, через которое может перешагнуть человек.
Четвёртый участок – это постановка стопы на землю. Он похож на второй участок. На этом участке происходит удар опоры о поверхность, пусть даже небольшой. Однако четвёртый участок, то есть удар опоры о землю, такой же опасный по ударам, как и второй участок отрыва опоры от земли. В работе А.И.Драцкой показано, что при постановке опоры удар воспринимается пяткой, а при отрыве большая нагрузка приходится на пальцы стопы [5]. У спортсменов во время тренировок и соревнований с большими нагрузками часто встречаются переломы и пяточной кости, и пальцев ног.
Для дальнейшего исследования надо понять, может ли у паука быть такая же шагающая траектория опоры ноги, как у человека? И вообще, какая траектория опоры у паука? Для ответа на этот вопрос были изучены видеофильмы с движениями пауков. Просмотр выполнялся замедленно, часто даже отдельными кадрами. На рис.3 показаны два кадра из видеофильма передвижения паука [1].
Рис. 3. Траектория опоры паука не шагающая
Просмотр замедленного фильма показал, что опора паука двигается совершенно иначе, чем стопа человека или копыто животного. По видеофильму удалось нарисовать приблизительную схему движения опоры паука, которая показана на рис.3. Постановка опоры на землю происходит приблизительно так, как у человека, то есть почти вертикально. Но только на ноге паука нет стопы – это первое очень важное отличие. Отрыв опоры паука от земли происходит совершенно иначе, по сравнению с человеком. Совершенно другой вид имеет пассивный участок траектории, то есть перенос опоры без нагрузки. Перенос опоры вперёд начинается так низко от земли, что иногда происходит зацепление, паук начинает дёргаться назад. Это наблюдается в природе. Когда паук убегает от опасности, он почему-то иногда начинает дёргаться, наоборот, приближается к опасности. Появилась задача поиска этого непонятного явления в созданных механизмах. Если Пафнутий Львович Чебышев смог перенести шагающую траекторию ноги человека на свой классический лямбдаобразный механизм, то, быть может, кто-нибудь из инженеров перенёс на машины движение ноги паука? Следовательно, наблюдения за пауком показали, что он так как человек двигаться не может по двум причинам. Во-первых, у паука нет стопы. Во-вторых, он не перешагнёт препятствие. Потребовалось искать другой аналог шагающего движения.
Второй механизм – механизм Тео Янсена. Вторым аналогом стали механизмы Тео Янсена. Художник из Нидерландов Тео Янсен преследовал рекламную цель. Он изготовил механизмы-монстры, которые шагают под действием ветра, как парусники. Тео Янсен на компьютере подбирал размеры рычагов, чтобы получить нужную шагающую траекторию. Траекторий получилось много, но все они далеки от механизма Пафнутия Львовича Чебышева. У животных таких траекторий нет, но зато они приближаются к классу насекомых. Только приближаются, но не повторяют, потому что цель работы художника – реклама.
Для изучения траектории опоры машины Тео Янсена был создан макет механизма. Технология прежняя, применены дюралюминиевые планки марки Д16, винты и гайки М6, шарниры проложены оцинкованными шайбами. Трудность появилась в изготовлении треугольных рычагов. Это повторение механизма Анастасии Андреевны Скворцовой и Эльвины Давидовны Папиашвили (2014 год), но они делали все рычаги и треугольники из деревянных планок из бука, а здесь использована фанера толщиной 4мм. Так проще, потому что три планки надо состыковывать, а фанерная пластина сразу готова. Инструменты обычные для любой мастерской: лобзик, сверлильный станок, болгарка, напильник, керн, молоток, свёрла, гаечные ключи. Действующая модель механизма Тео Янсена показана на рис.4.
Рис. 4. Действующая модель механизма Тео Янсена
Третий механизм – механизм Кланна. Третий аналог похож на механизмы Тео Янсена, но создан инженером Кланном. Кланн получил патент на изобретение и разрешил свободно пользоваться его идеей всем желающим. Описание механизма Кланна, и других механизмов тоже содержится в работе Дайниса Дзенушко [7]. В этой работе приведена характеристика нескольких шагающих механизмов, но не раскрывается суть и особенности траекторий опорных точек, не упоминается биологическое назначение опорных траекторий. На рис.5 показана схема механизма Кланна и собранная по этой схеме авторская модель.
Рис. 5. Схема механизма Кланна и авторская модель
В магазинах продают бегающие игрушки, похожие на пауков и крабов. Опорная траектория далека от шагающей траектории механизма Пафнутия Львовича Чебышева. Но в этой траектории есть замечательный участок, который надо подробно исследовать. Для изучения механизма Кланна была создана сначала одиночная действующая модель. Фотография созданной модели механизма показана на рис.6. Технология изготовления модели прежняя, но фанера толщиной 4 мм была заменена на пластико-пенопластовые пластины, применяемые для облицовки оконных приёмов. Такие пластины очень легко пилятся лобзиком и обрабатываются напильником или наждачной бумагой. Модель одиночного механизма нужна для изучения движения рычагов. Когда создаётся сложная машина, даже с двумя такими механизмами, рычаги могут мешать друг другу. На одиночной модели можно заранее изучить и задать необходимые отступы, зазоры и повороты. На этой же модели можно примерить электродвигатель и привод, выбрать наиболее рациональный вариант, а потом просто перенести конструкцию на создаваемую машину. После изготовления машины одиночная модель остаётся в качестве учебного демонстрационного прибора, необходимого и очень удобного для перспективных конструкций.
Рис. 6. Действующая модель механизма Кланна
После анализа литературы и создания моделей трёх механизмов результаты были обобщены. Была поставлена цель – создать машину с цепляющим движением. Почему именно с цепляющим? Шагающее движение возможно только на ровных поверхностях. По камням шагоход не пройдёт. Камнеходы созданы на основе зацепления за выступы, а не опоры на землю.
Изготовление машины с цепляющим механизмом. После изготовления первого механизма Кланна были изготовлены ещё два механизма. Первый макет служил образцом, поэтому технология сборки была полностью с него копирована. Но в машине вместо пенопластовых треугольных пластин нужно применить более прочный материал. Опять была применена фанера толщиной 4 мм. Другие детали и узлы остались прежними. Только корпус был изготовлен другой формы, чтобы потом к нему можно было прикрепить дополнительные детали, электродвигатель и привод. Прочности фанеры вполне достаточно для выбранного электродвигателя от стеклоподъёмника автомобиля «ВАЗ» мощностью 30 Вт и напряжением питания 12 В от стандартного аккумулятора. На рис.7 показан процесс копирования механизма с оригинала.
Рис. 7. Технология копирования механизма с макета
В цепляющей машине сначала было решено применить два механизма Кланна. Сначала цель работы была поставлена упрощённая – только доказать главную особенность такого движения в виде зацепления. На двух опорах машина стоять не сможет, поэтому понадобится дополнительное устройство, никак не связанное с цепляющим движением. Две опоры на цепляющей машине должны быть зеркальными, как у человека правая нога и левая нога. При копировании механизма Кланна с макета учитывалось зеркальное расположение рычагов и шарниров. После изготовления двух зеркальных механизмов началась сборка и регулировка цепляющей машины. Технология сборки простая, но требует много времени. Особенно кропотливая работа выполняется при установке электродвигателя и привода. При ошибке механизм приходится разбирать, заново регулировать, устанавливать нужную деталь, а потом опять собирать. Отдельно пришлось продумать способ закрепления общего вала кривошипов двух механизмов в червячном редукторе привода электродвигателя. Вал был сильно зажат между гайками, стягивающими червячное колесо, но возможность свободного вращения вала в корпусе машины сохранилась. На рис.8 показаны начало и окончание сборки новой цепляющей машины.
Рис. 8. Процесс сборки цепляющей машины
Сначала было предложение применить зубчатую передачу, но потом был установлен электродвигатель от стеклоподъёмника автомобиля «ВАЗ» с червячной передачей. Червячная передача очень сильно замедляет движение, но увеличивает усилие. Стандартный электродвигатель вместе с передачей продаётся в любом магазине с автомобильными запасными частями. Задняя дополнительная опора подбиралась постепенно, она нужна только для устойчивости по время испытаний движения двух ног. Потом вместо колёсных опор оказалась достаточной обычная рейка. Проволочное колесо в виде барабана впереди машины тоже нужно только для устойчивости. Оно тоже не влияет на траекторию движения опор. Цель работы заключается в создании цепляющего механизма и доказательстве гипотезы, что пауки не ходят, а зацепляются за выступы. Этот принцип перенесён на движение ног-опор, а дополнительные элементы являются вспомогательными. На рис.9 показан процесс создания общего облика цепляющей машины, начиная с первых неудачных вариантов, а на рис.10 – окончательный вариант конструкции.
Рис. 9. Процесс создания общей схемы цепляющей машины
Рис. 10. Общий вид цепляющей машины
Обсуждение цепляющего движения. Цепляющее движение принципиально отличается от шагающего движения по следующим причинам.
1. При шагающем движении силой тяги является сила трения покоя, а при цепляющем – сила зацепления, то есть сила реакции опоры.
2. При шагающем движении на опору можно установить стопу, при цепляющем – только небольшой кулачок.
3. При шагающем движении опора может быть большой площади для уменьшения давления на поверхность, при цепляющем – возможна только точечная опора, поэтому давление на поверхность большое, на мягких поверхностях опора провалится, как механизмы Тео Янсена на песке.
4. При шагающем движении тело движется почти прямолинейно, при цепляющем прыгает вверх-вниз.
5. При шагающем движении тело движется почти равномерно, при цепляющем часто дёргается назад-вперёд.
6. Шагающее движение возможно только по ровной поверхности, цепляющее – по любой с выступами, например, по камням.
7. В шагающем движении нет понятия «отцепление», в цепляющем – часто надо для этого отойти назад, порой на полшага, а потом продолжать идти.
8. В природе шагающее движение наблюдается у массивных видов: человек, животные, динозавры, рептилии, а цепляющее – у лёгких насекомых, например, у пауков, с которых началась исследовательская работа.
9. Шагающее движение требует большой и прочной опоры для тяжёлого тела, цепляющее – тончайшей ноги паука.
10. Шагающее движение сильно ограничено по наклонным плоскостям конусом трения, в цепляющем движении трение практически не существенно.
Обсуждать шагающее и цепляющее движение можно долго. Но какой бы вопрос не обсуждали, различия принципиальные. Например, почему насекомые лёгкие, а коровы тяжёлые? Потому что лёгкому пауку достаточно зацепиться за выступ и подтянуться, а корове надо не поскользнуться. В цепляющем движении нет понятия стопы, там только опора-игла.
Главный вывод – схема цепляющего движения.
Главный вывод – принципиальные различия между шагающей и цепляющей траекториями, как и различия между животными и насекомыми. На рис.11 для сравнения показаны две схемы движения, цепляющего и шагающего.
Рис. 11. Схемы цепляющего и шагающего движений
На неровной поверхности шагающее движение приведёт либо к перелому стопы или опоры, либо к опрокидыванию тела или машины. Может получиться так, что шагающая опора зацепится за выступ камня или другого препятствия. Когда ей надо будет подниматься, она упрётся в этот выступ, механизм сразу же заклинит. Зато цепляющее движение очень приспособлено к неровностям. Роботы для каменистых поверхностей делают с острыми цепляющими опорами, но управление ими очень сложное. Природа определила вид движения в зависимости от массы организма. Это свойство надо использовать в технике. Созданный действующий макет машины-паука доказывает возможность такого движения и правильность рассуждений.
Список использованных источников и литературы
1. Spider movement kaning. 12 июня 2013 г. Электронный ресурс (видеоролик 1:50): https://youtu.be/6EPOSMcCa0w
2. О преобразовании вращательного движения в движение по некоторым линиям при помощи сочленённых систем / По кн.: Полное собрание сочинений П. Л. Чебышева. Том IV. Теория механизмов. — М.—Л.: Изд-во АН СССР. 1948. С. 161–166.
3. Артоболевский И.И., Левитский Н.И. Механизмы П.Л.Чебышёва / Научное наследие П.Л.Чебышёва. – Вып. II. – Теория механизмов. – М.-Л.: Изд-воАН СССР, 1945. – С.52-56.
4.Иванцик Н.И. Энергосберегающие механические приводы / Материалы Десятого Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых учёных "Наука и инновации в технических университетах". Секция "Энергоресурсосбережение и экология" - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2016. 190 с. - С.78-79.
5. Драцкая А.И., 7 класс. Научный руководитель м.н.с. Скворцова А.А. Способ уменьшения ударов в шагающем механизме П.Л.Чебышева. - Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся "Старт в науке 13. Летняя площадка 2021". - 28 августа 2021 г. - Российская Академия Естествознания (РАЕ). – Электронный ресурс: https://files.school-science.ru/pdf/13/60cc512269e86.pdf
6. Тренд ветер. Ветряное искусство и рукоделие. Электронный ресурс: https://www.1000ideas.ru/article/biznes/khobbi-biznes-tvorchestvo-i-rukodelie/wind/
7. Дзенушко Дайнис: Изучение "Шагающих" механизмов. Электронный ресурс. Электронный ресурс: http://tm.spbstu.ru/
Приложение.
Результаты проверки статьи в двух системах Antiplagiat.ru и Text.ru
с показателями оригинальности и уникальности более 97%