XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Батискаф на базе конструктора Lego Mindstorms
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Сейчас достаточно сложно найти место на Земле, которое не было бы исследовано человеком, но так было не всегда. Почти до начала XX века человечество имело слабое представление об океанах. Основное внимание уделялось континентам и островам. Именно они открывались взору путешественников в эпоху Великих географических открытий и в более позднее время. Об океане за это время стало известно в основном лишь то, что он почти втрое больше, чем вся суша. Под поверхностью воды оставался огромный неведомый мир, о жизни которого можно было лишь догадываться и на основе разрозненных наблюдений строить различные предположения.
Исследования океанских глубин стали возможны благодаря чудесам инженерной мысли. Нашей команде стало интересно, с помощью какой техники происходит исследовании больших глубин. Тогда мы узнали, что в основном применяют такие подводные аппараты, как батискафы и батисферы.
Цель: создание демонстрационной модели батискафа на базе конструктора LegoMindstorms.
Задачи:
- изучить информацию о батискафах
-изучить устройство и принцип работы батискафов
-создать модель батискафа и привести ее в движение
В качестве источников информации мы, в основном, использовали информационные сайты: Онлайн энциклопедия (https://sitekid.ru); Википедия (https://ru.wikipedia.org). При конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах [1] [2], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике. [3]
Глава 1. История батискафа. Пионеры глубин и их знаменитые погружения
Батискаф (от греческих «глубокий» и «судно») — автономный (самоходный) подводный аппарат для океанографических и других исследований на больших глубинах. (Рисунок 1.1, Приложения)
Создателем батискафа является швейцарский физик Огюст Пикар(1884-1962) — швейцарский физик, исследователь и изобретатель. (Рисунок 1.2, Приложения) [5]
О самых глубоких участках океана человечеству было практически ничего не известно до первой половины XX века.
В 1928 году американский изобретатель Отис Бартон начал разрабатывать аппарат, который мог бы достичь недоступных обычным подводным лодкам глубин.
У проекта Бартона была и конкретная цель: британский натуралист Уильям Биби как раз нуждался в подходящем аппарате для исследования океанского дна в районе Бермудских островов.
В итоге Бартон построил сферическое устройство, способное выдержать гигантское давление, и оснастил его иллюминаторами из кварцевого стекла, чтобы Биби мог как следует рассмотреть загадочных подводных обитателей.
В 1930 году Бартон и Биби осуществили первые погружения - для начала они опустились всего на 14 метров, чтобы убедиться в том, что батисфера не пропускает воду. В следующие четыре года они опускались куда глубже.
15 августа 1934 года исследователи нырнули на 923 метра - почти на километровую глубину. Это достижение оставалось рекордным до 1949 года.
Успех батисферы подтвердил изначальную догадку Бартона о том, что корпус сферической формы лучше всего способен противостоять огромному давлению водной толщи. (Рисунок 1.3, Приложения)
FNRS (1948 год)
После Второй мировой войны самые значимые шаги в деле освоения глубин сделала Бельгия.
В военное время технологии строительства подводных лодок развивались быстрыми темпами, и германские субмарины типа XXI, к примеру, могли погружаться почти на 250 метров.
Бельгийский батискаф FNRS-2 поставил несколько рекордов - в отличие от батисферы Бартона и Биби, они опускались и поднимались обратно на поверхность без помощи троса и установленной на надводном судне лебедки.
Ученый Огюст Пикар разработал аппарат, состоящий из двух частей: сферической батисферы для экипажа и поплавка в форме подводной лодки, заполненного бензином.
Для подъема на поверхность батискаф сбрасывал балласт. FNRS-3 в 1954 году установил мировой рекорд, погрузившись более чем на четыре километра недалеко от побережья Сенегала. (Рисунок 1.4, Приложения)
"Триест" (1960 год)
Заветной целью океанографов всегда была Марианская впадина, самая глубокая точка мирового океана. Ее глубина - почти 11 километров.
Батискаф "Триест", напоминающий увеличенную версию FNRS, был сконструирован опять-таки Огюстом Пикаром, на этот раз при активном участии его сына Жака.
Пикар-младший стал и основным пилотом батискафа, вместе с ним погружался американский подводник Дон Уолш.
Исследователи попытались достичь глубочайшего участка Марианской впадины, "Бездны Челленджера", куда на тот момент еще не опускался ни один сделанный человеком объект.
23 января 1960 года Пикар и Уолш приступили к осуществлению своего смелого плана. Батискаф опускался со скоростью почти в метр в секунду. (Рисунок 1.6, Приложения)
На девятикилометровой глубине треснул один из иллюминаторов сферы, но "Триест" все-таки достиг дна через 4 часа 47 минут после начала спуска.
Исследователи провели на дне около 20 минут и даже обнаружили там рыбу, похожую на камбалу.
"Алвин" (1964 год)
Трехместный батискаф "Алвин" был спущен на воду в 1964 году и с тех пор принял участие в целом ряде известных миссий.
Этот американский аппарат осуществил более 4400 погружений, наблюдая океанскую живность и другие подводные объекты.
Конструктивно "Алвин" более маневренный, чем такие аппараты, как "Триест", и он способен разделяться надвое: в случае возникновения проблем капсула с экипажем может отдельно всплыть на поверхность.
В 1976 году в районе Галапагосских островов с "Алвина" впервые наблюдали так называемых "черных курильщиков" - перегретые потоки вулканической воды, в которых обитают необычные формы жизни.
Самой знаменитой миссией "Алвина" стало, пожалуй, погружение к обломкам "Титаника" в 1986 году - ученые тогда увидели судно впервые с момента его катастрофы в 1912 году.
"Мир" (1987 год)
В годы холодной войны советские ученые тоже разработали несколько моделей глубоководных аппаратов.
В 1987 году в Финляндии по их чертежам были построены "Мир-1" и "Мир-2". Эти аппараты способны погружаться на глубину в 6 километров с экипажем из трех человек - такого запаса прочности достаточно, чтобы исследовать 98% Мирового океана.
Как и "Алвин", "Мир-1" опускался к "Титанику": режиссер Джеймс Кэмерон использовал его для съемок одноименного фильма.
"Миры" исследовали глубины нескольких океанов, а также работали в Байкале - самом глубоком в мире пресноводном озере. (Рисунок 1.8, Приложения) [4]
Глава 2. Конструкция батискафа. Принцип работы
Батискаф состоит из двух основных частей: лёгкого корпуса — поплавка и прочного корпуса — гондолы.
Основное назначение поплавка – удерживать батискаф на необходимой глубине. Для этого в легком корпусе оборудуются несколько отсеков, наполняемых веществом, имеющим меньшую, чем у соленой воды, плотность. Он выполняет роль купола воздушного шара, наполненного воздухом, или баллона дирижабля. [5]
Бункеры батискафа содержат дробь, являющуюся балластом, сброс которого позволяет регулировать глубину погружения.
Гребной винт служит для перемещения батискафа в горизонтальной плоскости. Приводится он в движение электродвигателем, который питается от аккумуляторных батарей.
Киль повышает устойчивость судна во время буксировки и уменьшает бортовую качку при всплытии на поверхность.
Электропитание батискаф получает от аккумуляторов. Изолирующая жидкость окружает аккумуляторные банки и электролит, на неё через мембрану передаётся давление забортной воды. Аккумуляторы не разрушаются на огромной глубине. (Рисунок 2.1, Приложения)
Батискаф приводится в движение электрическими двигателями, движители — гребные винты. Электродвигатели защищаются таким же способом, как и аккумуляторные батареи. Если у батискафа отсутствует судовой руль — тогда поворот производился включением только одного двигателя, разворот почти на месте — работой двигателей в разные стороны.
Скорость спуска и подъём батискафа на поверхность регулируется сбрасыванием основного балласта в виде стальной или чугунной дроби, находящейся в воронкообразных бункерах. В самом узком месте воронки стоят электромагниты, при протекании электрического тока под действием магнитного поля дробь как бы «затвердевает», при отключении тока она высыпается.
Система аварийного всплытия представляет собой аварийный балласт, подвешенный на раскрывающихся замках. От раскрытия замки удерживаются электромагнитами, для сброса достаточно отключить электрический ток. Аналогичное крепление имеют аккумуляторные батареи и гайдроп — длинный расплетённый свободно свисающий стальной канат или якорная цепь. Гайдроп предназначен для уменьшения скорости спуска (вплоть до полной остановки) непосредственно у морского дна. Если аккумуляторы разряжаются — автоматически происходил сброс балласта, аккумуляторов и гайдропа, батискаф начинает подъём на поверхность. [6]
Подводные аппараты могут не просто находиться там, и фотографировать подводные территории с помощью фото и видеокамер. Так же у некоторых батискафов установлены механические "руки", которые могут брать геологические и биологические пробы и доставлять их на поверхность. Эти же "руки" могут помочь отремонтировать оборудование или неисправные кабели на подводных линиях связи. (Рисунок 2.2, приложения)
Глава 3. Погружение и всплытие
При конструировании и расчете батискафа профессор Огюст Пиккар понял, что при спуске под воду батискаф испытывает воздействие изменяющегося наружного давления. Таким образом он подумал, что батискаф должен иметь своего рода поплавок, наполненный веществом более легким, чем морская вода. Состояние этого вещества должно быть таким же как и окружающая среда, то есть жидкостью. В качестве наполнителя поплавка был выбран бензин. [6]
На поверхности батискаф удерживается за счёт отсеков, заполненных бензином и благодаря тому, что цистерны водяного балласта, шахта для посадки экипажа в гондолу и свободное пространство в бункерах с дробью заполнены воздухом. (Рисунок 3.1, Приложения)
После того, как цистерны водяного балласта, шахта для посадки экипажа в гондолу и свободное пространство в бункерах с дробью заполняются водой, начинается погружение. Эти объёмы сохраняют постоянное сообщение с забортным пространством для выравнивания гидростатического давления во избежание деформации корпуса.
Так как бензин (при высоком давлении) сжимается больше, чем вода, выталкивающая сила уменьшается, скорость погружения батискафа увеличивается, экипаж должен постоянно сбрасывать балласт (стальную дробь.
При приближении ко дну нижний свободно свисающий конец гайдропа ложится на дно, часть его веса «снимается» с корпуса батискафа, увеличивается плавучесть. В определённый момент плавучесть становится «нулевой» и подводный аппарат неподвижно зависает на некотором расстоянии от дна. [8]
Если батискаф попадает в плотные слои воды и «зависает», выпускается часть бензина из компенсирующего отсека, погружение возобновляется. Также часть бензина выпускается, если батискаф «завис» на гайдропе довольно далеко от дна. (Рисунок 3.2, Приложения)
После проведения научных экспериментов экипаж сбрасывает балласт (стальную дробь), начинается подъём. При необходимости аварийного всплытия может быть сброшен аварийный балласт, гайдроп и аккумуляторные батареи. Все эти детали удерживаются на корпусе батискафа замками с электромагнитами, достаточно отключить электрический ток. Также если аккумуляторы разряжаются — ток в электромагнитах исчезает, исчезает магнитное поле, замки раскрываются, происходит аварийный сброс. [7]
После всплытия на поверхность шахта для посадки экипажа в гондолу и цистерны водяного балласта продуваются сжатым воздухом, батискаф получает дополнительную плавучесть, экипаж покидает корабль. (Рисунок 3.3, Приложения
Глава 4. Батискаф на базе конструктора Lego Mindstorms
При создании конструкции мы использовали набор Lego Mindstorms. Модель оснащена тремя моторами, датчиками и программируемым блоком EV3.
В движение батискаф приводится с помощью двух больших моторов, они с помощью осей вращают два небольших колеса, которые установлены во внутренней части конструкции. (Рисунок 4.1, приложения) Изучив информацию о батискафах, мы узнали, что за перемещение батискафа в горизонтальной плоскости отвечают гребные винты. Нам пришла идея -передать вращение от больших моторов к установленным на задней части винтам с помощью сложных механизмов: ременной и зубчатой угловой передачи. (Рисунки 4.2, 4.3, Приложения)
Для исследования океанских глубин мы установили механические руки (Рисунок 4.4, Приложения), которые запускаются по сигналу датчиков касания с помощью среднего мотора. Мотор открывает и закрывает щупальца с помощью червячной передачи. (Рисунок 4.5, Приложения)
Батискафы оснащены фото и видеокамерами. В нашей конструкции над механическими руками установлен датчик цвета, для того чтобы считывать и передавать информацию о найденных животных, предметов и т.д. (Рисунок 4.6, Приложения)
На нижней части модели установлен ультразвуковой датчик, он измеряет уровень погружения.
Так же мы установили стеклянную кабину, где размещается экипаж, находится она над механическими руками, что позволяет наблюдать весь процесс сбора данных.
В конце мы придумали имя нашему батискафу – Король подводных глубин! И установили над кабиной корону!
Глава 5. Демонстрация батискафа c помощью ПО Lego Mindstorms
При создании демонстрационной программы мы подробно изучили принцип работы батискафа, его погружение и всплытие, перемещение в горизонтальной плоскости, а также работу механических рук.
Мы узнали, что у батискафа есть специальный отсек, который при заполнении специальным веществом, позволяет держаться ему на поверхности. Погружение начинается, если заполнить этот отсек водой. С помощью ультразвукового датчика и программы мы можем увидеть на экране программируемого блока EV3 на сколько батискаф погрузился воду, а также на сколько процентов отсек заполнен водой, а на сколько бензином. (Рисунок 5.1, Приложения) Для этого мы используем программные блоки «Экран», «Ультразвуковой датчик» и для расчетов блок «Математика».
Перемещается батискаф с помощью кнопок управления модулем. Каждая кнопка отвечает за одно действие:
При нажатии на кнопку «5» батискаф перемещается вперед на один оборот
При нажатии на кнопку «4» батискаф перемещается назад на один оборот
При нажатии на кнопку «1» срабатывает левый мотор и батискаф поворачивает направо
При нажатии на кнопку «4» срабатывает правый мотор и батискаф поворачивает налево (Рисунок 5.2, Приложения)
Датчики касания позволяют управлять механическими руками, один датчик касания отвечает за закрытие клешней, второй – за их открытие. (Рисунок 5.2, Приложения)
Датчик цвета считывает информацию с найденных предметов и выводит результат на экран, а также сопровождается звуковым сигналом:
Зеленый и красный цвет – звук «No», изображение «крестик»
Желтый и синий цвет – звук «Yes», изображение «галочка» (Рисунок 5.3, Приложения)
Заключение
Нашей команде стало интересно, как же происходят исследования на больших глубинах, так мы узнали о существовании батискафа. Кто его изобрел и какова была цель – мы с легкостью нашли ответы на эти вопросы и с огромным увлечением изучили знаменитые батискафы и их погружения!
Сложность возникла при изучении устройства и принципа работы данного аппарата. Мы узнали, что такое гондола и поплавок, как погружается и всплывает батискаф, каким веществом наполняются отсеки и для чего подводному аппарату нужны механические руки. Мы рассмотрели множество схем, чтобы разобраться в конструкции батискафа.
Для создания демонстрационной модели необходимо было с точностью воссоздать способ перемещения данного устройства. Для движения в горизонтальной плоскости мы использовали небольшие колеса, спрятанные в конструкции. На заднюю часть модели мы вывели два гребных винта, которые вращаются в соответствии с колесами, с помощью сложных механических передач. Таким образом создается вид, чтоб батискаф перемещается за счет винтов.
Данные о погружении и всплытии выводится на экран, для этого установлен ультразвуковой датчик. Так мы можем узнать: сколько в отсеках процентов воды или вещества, а также на какую глубину он погрузился.
Дополнительно батискаф оснащен механическими руками, которыми так же можно управлять с помощью датчиков. А в исследовании материалов поможет специальная камера, роль которой играет датчик цвета. Подробнее с проектом можно ознакомиться на видео. [9]
Наша модель поможет легко и увлекательно изучить устройство и принцип работы батискафа, а также привлечь к познанию подводного мира.
Список литературы
Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа https://vk.com/mrbrain_tmn;
Лоренс Валк: Большая книга LEGO MINDSTORMS EV3; [пер. с англ. Черников С.В]. Издательство «Эсмо», 2017. - 400 с.;
Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с.
https://www.bbc.com/russian/science/2015/10/151019_vert_fut_subs_that_revealed_never_seen_world
https://sitekid.ru/izobreteniya_i_tehnika/batiskaf.html
https://fb.ru/article/274122/batiskaf---chto-takoe-konstruktsiya;
http://znaniya-sila.narod.ru
https://ru.wikipedia.org
https://drive.google.com/file/d/1j8GxrHTmRyFgswFe1svfQSlPSErXMUiB/view
Приложения
|
Рисунок 1.1, Батискаф |
Рисунок 1.2, Огюст Пикар |
|
Рисунок 1.3, Батисфера (1930 год) |
Рисунок 1.4, FNRS (1948 год) |
|
Рисунок 1.5, "Триест" (1960 год) |
Рисунок 1.6, Погружение «Триеста» |
|
Рисунок 1.7, "Алвин" (1964 год) |
Рисунок 1.8, "Мир" (1987 год) |
|
Рисунок 2.1, Схема батискафа |
|
|
Рисунок 2.2, Механические рукибатискафа |
|
|
Рисунок 3.1, Погружение и всплытие батискафа |
Рисунок 3.2, Батискаф в плавании |
|
Рисунок 3.3, Подъем батискафа на судно |
Рисунок 4.1, Большие моторы |
|
Рисунок 4.2, Ременная и зубчатая передачи |
Рисунок 4.2, Ременная и зубчатая передачи |
|
Рисунок 4.4, Механические руки |
Рисунок 4.5, Червячная передача |
|
Рисунок 4.5, Датчик цвета |
|
|
Рисунок 5.1, Программа для подсчитывания гулбины и заполняемости отсеков бензином и водой Рисунок 5.2, Перемещение батискафа и движение механических рук |
|
|
Рисунок 5.3, Исследование с помощью датчика цвета |
|