XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Грузовые перевозки под водой с помощью конструкторов Lego Education WeDo 2.0. и LEGO Education SPIKE Essential
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В наше время учёные большую часть времени уделяют состоянию атмосферы. Мы тоже заинтересовались этим вопросом и решили проанализировать состояние нашей планеты, и какие факторы влияют на ее состояние.
Под загрязнением понимается процесс привнесения в воздух или образование в нём физических агентов, химических веществ или организмов, неблагоприятно воздействующих на среду жизни или наносящих урон материальным ценностям. В определённом смысле загрязнением можно считать и изъятие из воздуха отдельных газовых ингредиентов (в частности кислорода) крупными технологическими объектами, в данном случае, технологическим объектом является транспорт. Загрязняющие и ядовитые вещества переносятся на большие расстояния, попадают с осадками в почву, поверхностные и подземные воды, в океаны, отравляют окружающую среду, отрицательно сказывается на получении растительной биомассы и включаются в круговороты многих элементов биосферы. Циркуляция атмосферных потоков влияет на местные климатические условия, а через них - на режим рек, почвенно-растительный покров и на процесс рельефообразования.
Следовательно, не смотря на то, что масса внешней оболочки биосферы (атмосферы) ничтожно мала по сравнению с массой планеты, ее роль во всех природных процессах огромна. Наличие вокруг земного шара атмосферы определяет общий тепловой режим поверхности Земли. Современный газовый состав атмосферы является результатом длительного исторического развития природы и, как известно, слагается из азота (78, 09 %), кислорода (20, 95 %), аргона (0, 93 %), углекислого газа (0, 03 %), неона и других газов и паров воды. Кроме того, газовый состав содержит различные вещества, выделяемые природными и техногенными источниками, такие как пыль, имеющая растительное, вулканическое, космическое, почвенное и техногенное происхождение; капельножидкая вода (туман); частицы морской соли; газы, образующиеся во время лесных и степных пожаров; различные продукты растительного, животного или микробиологического происхождения.
Загрязнение воздушного бассейна является ключевым фактором, оказывающим негативное воздействие на состояние природной среды города. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) от 40 до 50% заболеваний человека в наше время могут быть связаны с изменением окружающей среды и, в первую очередь, с загрязнением атмосферы.
В настоящее время воздушный, наземный и водный транспорт является одним из основных источников выброса вредных веществ в атмосферу, поэтому их негативное воздействие на окружающую природу и здоровье людей достигло значительных масштабов.
Основными факторами, влияющими на загрязнение атмосферного воздуха выбросами от вышеперечисленного транспорта, являются значительный рост автомобильного парка и увеличение объемов международных грузоперевозок, медленное развитие транспортной инфраструктуры, недостатки в организации движения, отставание эксплуатационной базы, несоответствие качества используемого моторного топлива современным требованиям.
Мы выяснили, что по всему миру для перевозки грузов используется топливо и поняли, что сейчас миру грозит крупная биологическая катастрофа. Чем больше грузов перевозят из различных стран, тем больше загрязняют воздух все эти виды транспорта. Они выбрасывают в атмосферу нашей планеты огромное количество вредных веществ. Поэтому мы решили бороться с этой проблемой, в чем и состоит актуальность данной работы.
Цель нашей работы – разработать модель перевозки грузов с помощью конструкторов Lego Education WeDo 2.0. и LEGO Education SPIKE Essential, которая не будет загрязнять атмосферу вредными веществами.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Изучить и проанализировать проблему загрязнения атмосферы;
Провести исследование каждого вида транспорта, который используется для грузоперевозок;
Сконструировать модель подводных грузоперевозок с помощью конструкторов Lego Education WeDo 2.0. и LEGO Education SPIKE Essential.
При оформлении проекта мы брали идеи из большой книги «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей», при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах, при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехники.
Глава 1. Изучение проблемы загрязнения атмосферы
Большое количество автомагистралей, крупных морских и воздушных портов, а также железных дорог строилось без внимания и даже без учета ущерба окружающей среде. Проблема была замечена и озвучена сравнительно недавно, когда антропогенные изменения в ландшафте, воде и воздухе стали необратимыми. Для их очистки, приведения в нормальное состояние требуются дополнительные усилия от человека.
Загрязняющие вещества, образующиеся на транспорте, в основном состоят из газов, выбрасываемых из выхлопных систем автомобилей, поездов и судов. Они перемещаются по воздуху. Это оксиды азота, диоксид серы, диоксид углерода, металлы, а также органические соединения (летучие, в том числе некоторые токсичные, стойкие, биологически накопленные).
Выделяют 5 видов транспорта:
автомобильный;
железнодорожный;
морской;
речной;
воздушный.
Например, речной транспорт наносит большой ущерб. Жизнь в реках и других внутренних водоемах уничтожается утечкой вредных химикатов. Реки, которые являются основными коммуникационными артериями, уже мертвы на многих участках.
В грунтовые воды попадают и вредные вещества. Загрязнение озер и рек способствует обеднению многих экосистем. Умирают не только рыбы, но и животные и растения, обитающие вокруг водоемов.
На транспортный сектор приходится 40-80% общих выбросов оксидов азота. Экологи в своих исследованиях указывают, что существует около 15 миллионов различных типов загрязняющих веществ, выбрасываемых автомобилями, многие из которых еще не были полностью исследованы.
Превышение допустимых концентраций основных загрязнителей: диоксида серы и пыли, а также максимально зафиксированных концентраций оксидов азота касается в основном крупных городов. Различия в концентрациях диоксида серы в городах и за их пределами в 1996 г. составили более 30%, диоксида азота – 50%.
Глава 2. Исследование различного транспорта, который используется для грузоперевозок
При создании проекта мы рассматривали грузоперевозки в городе Пенза, а также как грузы попадают в него из других стран или же городов. По городу грузы доставляют огромное количество автомобилей, которые работают за счет нефтяного топлива.
Для того чтобы грузы попали в наш город используются различные виды транспорта такие как: поезда, самолеты, корабли, а также автомобили для междугородних перевозок. Все эти виды транспорта используют топливо, работающее за счет нефти.
Наша команда провела исследования каждого из видов транспорта и выяснила:
Влияние автомобильного транспорта на окружающую среду
Автомобили используются для перевозки буквально по всему миру, только они подходят для перевозки грузов по городам в различных странах мира.
Воздействие автомобильного транспорта на окружающую среду очень значительно, поскольку транспорт выступает в качестве основного потребителя энергии и сжигает большую часть мировой нефти. В транспортном секторе именно автомобильный транспорт является крупнейшим источником глобального потепления.
Другие экологические последствия эксплуатации автомобильного транспорта включают пробки на дорогах и автомобильное разрастание городов, которые могут занимать естественную среду обитания и сельскохозяйственные угодья. Снижение автомобильных выбросов во всем мире будет иметь значительное положительное влияние на качество воздуха, на снижение кислотных дождей, смога, изменение климата.
Воздействие автомобильных выхлопов на здоровье человека также вызывает обеспокоенность. Оксиды углерода и азота, углеводороды, соединения, содержащие серу, - это тот опасный «коктейль», который мы употребляем каждый день на улицах нашего города. Вреден для человека и автомобильный шум - он влияет не только на слух, но и на развитие гипертонии, язвы желудка и диабета. [5]
Влияние железнодорожного транспорта на окружающую среду
Поезда используются для перевозки различных грузов по странам мира. Они активно используют нефтяное топливо и также загрязняют атмосферу планеты, но являются самым дешевым видом транспорта для перевозки грузов.
Воздействие железнодорожного транспорта на окружающую среду оценивается уровнем потребления природных ресурсов и уровнем выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду в регионах, где расположены железнодорожные предприятия.
Основным источником загрязнения атмосферного воздуха являются выхлопные газы дизельных двигателей локомотивов и токсичные вещества, выделяемые тепловыми электростанциями, производящими электроэнергию для электротранспорта, а также предприятиями по производству и ремонту подвижного состава.
Самые большие загрязнители: сажа, оксиды углерода, сера и азот, углеводороды, свинец. Накопление этих веществ в воздухе приводит к значительному ущербу для растительности (кислотные дожди), а также для здоровья человека (смог).
Влияние водного транспорта на окружающую среду
Корабли – это один из самых медленных видов грузоперевозок по всему миру, грузы доставляют по морям и океанам при помощи огромных сухогрузов и танкеров, при этом корабли тоже используют огромное количество топлива, которое загрязняет окружающую среду. Морские грузовые перевозки считают самыми медленными, но они доставляют огромную массу грузов, превышая все остальные виды транспорта.
Водные суда нельзя отнести к категории экологически безопасного транспорта. Его негативное влияние заключается в следующем:
происходит ухудшение биосферы за счет выбросов отходов в воздух при эксплуатации водного транспорта;
экологические катастрофы, которые случаются при различных авариях на судах, связанных с токсичными продуктами.
Вредные вещества, проникая в атмосферу, возвращаются в воду вместе с выпадающими осадками.
На танкерах периодически промывают емкости, чтобы смыть остатки транспортируемого груза. Это способствует загрязнению водоемов. Влияние водного транспорта на окружающую среду заключается в снижении уровня существования водной флоры и фауны.
В воду попадает большое количество сырой нефти, масел и других вредных веществ, нанося огромный ущерб экосистемам. Мощные участки морей (особенно прибрежные, вблизи портов) превращаются в так называемую «мертвую воду». Разливы нефти способствуют исчезновению многих видов морских растений и животных. [4]
Влияние воздушного транспорта на окружающую среду
Самолеты являются самым быстрым видом транспорта для доставки грузов по всему миру, но они и являются самой большой проблемой нашей планеты. Выбросы в воздух ядовитых веществ от авиатранспорта значительно превышает все остальные виды транспорта. Так как они являются самым быстрым видом транспорта, их используют в больших объемах, не обращая внимания на вред всей окружающей среде.
Неуклонный рост объёмов перевозок воздушным транспортом приводит к загрязнению окружающей среды продуктами сгорания авиационных топлив. В среднем один реактивный самолёт, потребляя в течение 1 ч 15 т топлива и 625 т воздуха, выпускает в окружающую среду 46, 8 т диоксида углерода, 18 т паров воды, 635 кг оксида углерода, 635 кг оксидов азота, 15 кг оксидов серы, 2, 2 твёрдых частиц. Средняя длительность пребывания этих веществ в атмосфере составляет примерно 2 года.
Наибольшее загрязнение окружающей среды происходит в зоне аэропортов во время посадки и взлёта самолётов, а также во время прогрева их двигателей.
Подсчитано, что при 300 взлётах и посадках трансконтинентальных авиалайнеров в сутки в атмосферу не равномерно, а в зависимости от графика работы аэропорта. При работе двигателей на взлёте и посадке в окружающую среду поступает наибольшее количество оксида углерода и углеводородных соединений, а в процессе полёта - максимальное количество оксидов азота.
Самолёту не требуется бесконечных лент дороги, как автомобилю, хотя аэропорты, взлетно-посадочные полосы занимают немалые земельные площади. Эти виды транспорта роднит активное участие в загрязнении атмосферы, в расточительном расходовании кислорода. Реактивному лайнеру, совершающему трансатлантический перелёт, требуется от 50 до 100 т этого газа. На территории аэропорта производится запуск двигателей, руление, взлёт и посадка самолётов т.е., операции при которых в атмосферу поступают вредные продукты выхлопов авиационных двигателей, предварительного старта (мест ожидания) и на взлетно-посадочной полосе. Рулёжные дорожки считаются участками умеренного выделения газа вследствие выделения кратковременности нахождения на них самолётов. [6]
Все эти виды транспорта работают на нефтяном топливе, что значительно разрушает инфраструктуру нашей планеты.
Глава 3. Конструирование модели подводных грузоперевозок с помощью конструкторов LegoEducationWeDo 2.0. и LEGO Education SPIKE Essential
Наша команда изучила все виды транспорта и проблемы, которые возникают при их использовании. Мы выяснили, что проблему загрязнения атмосферы необходимо срочно решать, а также необходимо найти совершенно новый способ грузоперевозок по всему миру для того чтобы сохранить нашу планету.
Мы рассматривали все возможные варианты грузоперевозок по нашей планете и нашли способ передвижения по всей планеты быстро, при этом не загрязняя окружающую среду. Мы будем использовать подводные морские и океанические течения.
Данные течения проходят через всю нашу планету и используются для быстрой миграции рыб. В данных течениях скорость огромна и мы можем их использовать для перевозки грузов. Уже достаточно долго человечество использует течения для получения чистой энергии при помощи гидроэлектростанций. Мы решили что можем сконструировать механизм, который будет перемещаться по данным течениям и заряжаться от них во время движения, используя гидротурбины. Для того чтобы не навредить морским обитателям мы будем использовать подлодки в виде морских синих китов.
Для того чтобы доставлять грузы к базам где будут расположены наши подлодки мы используем грузовики работающие на электродвигателях, они будут доставлять грузы не нанося вред окружающей природе. Для разгрузки мы используем сортировочный центр, который использует систему присваивания цвета. Грузы отправляются на различные материки и каждому из них присвоен свой цвет. Для разгрузки и погрузки подлодок мы используем манипуляторы, работающие на электродвигателях.
Рис.1. – Макет проекта
Рис.2. – Макет проекта без океана
Грузовики для доставки грузов работают за счет зубчатой передачи использующие 2 конических зубчатых колеса и передачу повышающего типа для большей скорости, для своевременной остановки мы используем датчик движения замедления и полной остановке по мере приближения к пункту назначения.
Для разгрузки грузовиков мы используем механические манипуляторы, использующие каноническую зубчатую передачу, а также повышающую передачу для увеличения мощности сжатия грузов для поднятия и перемещения их в сортировочный центр. Также для захвата и разгрузки мы используем датчик наклона. [1]
В сортировочном центре грузы распределяются по цветам для каждого материка свой особенный цвет. Мы программируем смарт-хаб на свечение индикатора каждого цвета материка, тогда управляющий манипулятором видит какой цвет сейчас сортируется, и его необходимо поместить в наш центр. [2]
После сортировки грузы отправляются на подводную базу, где и располагаются наши подлодки, он спускается при помощи конвейера, который работает при помощи мотора к которому подсоединена ось с бобиной и тросом.
Рис.3. – Электро-автомобиль, манипулятор, сортировочный центр, конвейер
Затем груз грузиться на подлодку, которая отправляется в путь по морским течениям. Она работает за счет 2х моторов и зубчатых передач которые используют в себе 2 конические зубчатые колеса расположенные под углом в 90 градусов. Передача понижающая для плавности движения. Программируется она за счет управления двух моторов. [3]
Рис.4. – Подводная лодка
Рис.5. – Механизм с двумя моторами
При проектировании всех наших механизмов мы использовали свои собственные навыки, полученные на занятиях, а также использовали нашу фантазию и творческую мысль не забывают про работу в команде и создали лучший вариант каждого механизма.
Заключение
На протяжении многих занятий мы конструировали и изучали различные конструкции, связанные с грузовыми перевозками – это и автомобили которые перевозят грузы, самолеты, корабли, поезда. Конструировали различные механизмы для перемещения грузов такие как: конвейерная лента, кран, автопогрузчик. Изучали, как они взаимодействуют и где используются, мы объединили все наши конструкции и знания в наш проект.
На основе анализа, который мы проводили на занятиях мы выяснили:
1. Если рассматривать самый быстрый способ доставки грузов, то естественно на 1 месте у нас идут авиаперевозки. Это самый быстрый вид транспорта на данное время, чтобы доставить груз из одного города в другой на это уйдет несколько всего несколько часов.
В чем же минусы данного транспорта:
• Огромные выбросы в атмосферу ядовитых паров;
• Из – за погодных условий возможно задержка грузов;
• Считается самым быстром видом транспорта, но также он самый опасный, на это влияют многие факторы (от погодных до механических).
Самым плохим фактором авиаперевозок грузов является огромные выбросы в атмосферу ядовитых паров, по этому данный вид транспорта при современной экологии лучше не использовать. Для нашего экологически чистого проекта данный вид транспорта явно не подходил.
2. Рассмотрели все морские виды транспорта, в него входят: грузовые корабли (сухогрузы), танкеры для перевоза горючих жидкостей и многие другие корабли. Данный вид транспорта считается одним из самых медленных на нашей планете. На скорость перевозки грузов на кораблях влияют:
• Погодные условия несмотря на все современные технологии корабли не смогут избежать ужасной морской погоды, встречное течение, цунами, штормы и многое другое несет опасность для всего морского транспорта;
• Корабли для перевозки грузов функционируют не на электроэнергии, они работают на топливе, которое несет огромный вред нашей экологии и атмосфере планеты.
Одной из самых важных задачей грузоперевозок является скорость, так как морские корабли это самый медленный транспорт, использовать его в нашем проекте не стоило, также не будем забывать, что топливо которое он тратит для своих перевозок значительно превышает по размерам загрязнения даже авиаперевозки.
3. Железнодорожный транспорт. Данный вид транспорта один из самых востребованных в современное время, как для перевозки грузов, так и для пассажирских перевозок. Также как и многие другие виды транспорта, он работает на топливе и выбрасывает в атмосферу вредные вещества, но сейчас многие в железнодорожных перевозках используются и электродвигатели. В наш проект он не подходил по нескольким причинам:
• Мы не сможем доставить грузы на другой материк;
• Время доставки грузов, достаточно долгое.
В нашем проекте мы хотели показать глобальное решение проблемы грузоперевозок по всей планете, если данный вид транспорта используются только на суше, то как нам при помощи него доставить груз на другой материк? Но и скорость доставки грузов слишком долгая.
4. Автомобильные перевозки, они используются буквально везде, для перевозки различны видов грузов, но они и являются самой большой проблемой экологии нашей планеты. Огромное количество автомобилей выбрасывают в атмосферу огромное количество ядовитых паров. Длительность доставки зависит от человеческого фактора, а также количества автомобилей на дорогах, расстояния до места прибытия и многого другого.
В нашем проекта автомобильные перевозки используются только для доставки грузов к пункту сортировки, но отличие от многих других они на электродвигателях.
На занятиях мы разобрали все виды грузовых перевозок, выделили их плюсы и минусы и сконструировали свой проект. Мы сделали наш проект экологически чистым и не использовали загрязняющее атмосферу топливо. Мы использовали для его реализации чистую энергию.
Наша планета на 70% покрыта водой, значит самый логичный вариант выбрать электроэнергию получаемую на основе гидроэлектростанции. Она вырабатывает достаточно много энергии, чтобы питать большие города. Вся система ее работы основана на течении воды с огромной скоростью, вода вращает лопасти турбины, тем самым вырабатывая электроэнергию.
По всей нашей огромной планете находиться множество подводных течений вода по ним двигается с огромной скоростью. Для нашего проекта мы использовали именно их.
Воздушный транспорт, слишком опасен и дорог, а также загрязняет атмосферу.
Морской транспорт очень медленный и зависит от погодных условий. Наш проект основывается на подводных течениях нашей планеты, как мы можем их использовать и при этом не навредить окружающей среде.
Мы создали собственную сеть перевозок грузов при помощи экологически чистых подлодок замаскированных под синих китов.
Принцип работы:
Мы хотим доставить груз из 1 города в другой затрачивая при этом минимум ресурсов, а также не вредя окружающей среде. Груз прибывает в сортировочный центр на автомобилях с электрическими двигателями. Там его разгружают при помощи кранов и автоподъемников, затем сортируют по отправке в различные страны мира расположенные на других материках. После его сортировки он спускается на базу грузовых подлодок при помощи конвейера, затем грузиться в наши подлодки и отправляется на необходимое течение. Наша подлодка работает на электродвигателях и замаскирована под синего кита, для того чтобы не навредить морским обитателям.
Для того чтобы подлодка активно функционировала мы добавляем в нее несколько приборов для подзарядки от течения, при этом она имеет основной заряд полученный на базе. Во время пути она подзаряжается от течения, тем самым имеет возможность ускорить свою скорость. После того как она достигла места назначения она прибывает на базу другой страны где ее также разгружают и загружают новыми грузами.
Список литературы
Список использованных источников и литературы:
Абушкин, Дмитрий Борисович. Педагогический STEM-парк МГПУ / Д.Б. Абушкин // Информатика и образование. ИНФО. - 2017. - No 10. - С. 8-10.
Евдокимова, В.Е. Организация занятий по робототехнике для дошкольников с использованием конструкторов LEGO WeDo / В.Е. Евдокимова, Н.Н. Устинова // Информатика в школе. - 2019. - No 2. - С. 60-64.
Корягин А.В, Образовательная робототехника Lego WeDo. Сборник методических рекомендаций и практикумов – ДМК-Пресс, 2016.-252 с.;
Электронные источники:
https://studwood.net/1156665/ekologiya/vliyanie_vodnogo_transporta_okruzhayuschuyu_sredu;
https://moluch.ru/archive/211/51590/;
https://studwood.net/999075/ekologiya/vliyanie_aviatsii_okruzhayuschuyu_sredu