XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Экспериментальная модель для изучения сложных механических передач «Механическая шкатулка» из LEGO-деталей

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Седых А.А. 1Попова А.С. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Попова Е.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность работы

Разве робототехника только для мальчиков? Девочкам тоже может быть очень интересно, главное выбрать тему для творчества и создания удивительных моделей.

Изучение сложных механических передач – это сложный кропотливый процесс. Благодаря LEGO этот процесс в больше степени становится экспериментальным. Благодаря огромному множеству разнообразных деталей LEGO можно фантазировать и изучать механизмы.

Остается вопрос с выбором темы конструирования для девочек. В нашей исследовательской работе мы предлагаем создание модели механической шкатулки из домашнего LEGO для хранения бижутерии, талисманов, фигурок из бисера и других самых главных ценностей в жизни каждой девочки в возрасте 7-8 лет.

Цели исследовательской работы:

- создать модель механической шкатулки с использованием разных сложных механических передач LEGO;

- проанализировать работоспособность всех механизмов.

Задачи исследовательской работы:

1. узнать о шкатулках новую интересную информацию: первые шкатулки, механизмы для тайных отсеков, современные шкатулки и их назначение;

2. изучить сложные механические передачи с помощью LEGO;

3. сконструировать модель большой шкатулки с несколькими отсеками и крышками (дверцами), открывающимися и закрывающимися от электрической энергии одного мотора с помощью сложных механических передач;

4. проанализировать эффективность каждого механизма: скорость, прочность, эффективность применения

5. оформить механическую шкатулку с помощью дополнительного материала

6. провести демонстрацию запуска модели механической шкатулки;

7. сделать выводы.

Гипотеза:

Если запустить от одного мотора 4 разные сложные механические передачи на открытие 4 отсеков механической шкатулки, то скорость и качество открытия каждого отсека будут разные.

В качестве источников информации мы использовали сайты: www.monetnik.ru, eggs.zhukovich.ru, www.culture.ru, stroy-podskazka.ru. При оформлении проекта мы брали идеи из большой Книги идей LEGO MINDSTORMS EV3 [1], при конструировании движимых частей проекта нам помогли методические пособия о простых и сложных механических передачах [2], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3].

Глава 1. Шкатулки, какие они бывают

Перед началом конструирования нам стало интересно, какие шкатулки бывают и есть ли в них механизмы. Мы изучили информацию нескольких интернет-источников про первые шкатулки, тайные отсеки, открывающиеся с помощью механизмов, особые сложные и простые, яркие и скромные, функциональные шкатулки современности.

1. 1. Первые шкатулки и тайные механизмы

По утверждению историков, шкатулки создавались для хранения драгоценностей и украшений. [4] Принято считать, что первые шкатулки начали делать умельцы из Китая и Японии. Пару веков назад восточными умельцами были изготовлены уникальные маленькие ящики разной величины и формы, которые украшались при помощи смолы лакового дерева. Мастера декорировали шкатулки слоновой костью, тканью, дорогими камнями и другими элементами. Такие старинные шкатулки и сегодня оценивают, как настоящие шедевры.

Русскими мастерами создавались шкатулки с необычной и хитрой конструкцией. В некоторых ящичках устанавливали секретные кнопки, после нажатия на которую шкатулка открывалась. Такой вид шкатулок всегда пользовался спросом.

Пожалуй, самыми знаменитыми российскими шкатулками с секретом, прославившимися на весь мир, стали пасхальные подарочные яйца, созданные мастерами ювелирной компании Фаберже (Рисунок 1.1.1 Приложения). [5] Очень часто эти шкатулки таили в себе не один сюрприз, а несколько. Помимо основного, спрятанного внутри яйца сокровища, нажатием могла открыться дверца, за которой прятался портрет или пейзаж.

Пермская «Царь-пушка» (самая большая в мире 20-дюймовая литая чугунная пушка) воплощена в виде сувенирной шкатулки с потайным ящичком. Стоила она в советское время 22 рубля, но её владелец мог удивить тех, кто пришёл к нему в гости впервые. Чтобы ящичек открылся, следовало взять верхнее ядро из горки и опустить его в пушечное жерло. Упав вниз, шарик активировал скрытый механизм. Если ядро терялось, то ящик открывали кнопкой в днище (Рисунок 1.1.2 Приложения).

Потребность иметь в шкафчике или шкатулке потайное отделение была обусловлена хранением документов, не предназначенных для чужих глаз, или сокровищ, о которых не следовало знать другими домочадцам. Разумеется, секрет не должен был стать достоянием общественности от падения шкатулки или от того, что её начал вертеть в руках ребёнок или гость. Поэтому мастеру приходилось придумывать либо потайной неочевидный замок, либо целую последовательность действий, после выполнения которой секретный отсек становился доступным. Ряд шкатулок с секретом выполнен из драгоценных металлов (чаще всего, серебра), но большая их часть изготовлена из различных пород дерева.

В Невьянском государственном историко-архитектурном музее хранится шкатулка, которую изготовили в 1908 году в Швейцарии (Рисунок 1.1.3 Приложения). [6] Механизм шкатулки выполнен из специальной стали — язычки гребенки издают тонкий, с хрустальным оттенком звон. Короб из темного дерева покрыт растительными орнаментами, а на крышке изображены музыкальные инструменты. Ее и сегодня можно завести, рукоятка находится на правой боковой стороне корпуса. Сверху, через стекло, можно понаблюдать за движением главного вала с зубчиками.

1. 2. Современные шкатулки и их назначение

Мы узнали, что современные шкатулки бывают нескольких видов. [7]

Выделяют по назначению следующие виды шкатулок (Рисунок 1.2.1 Приложения):

Универсальные. Мини-сундучки для разных целей. Это красивые емкости среднего размера разной формы (круглые, квадратные, прямоугольные). Они могут иметь одно большое отделение или 2-3 отсека.

Для документов. Это большие прямоугольные коробки, вмещающие в себя документы формата А4 или А5. Внутри они могут быть отделаны мягкой тканью. Некоторые экземпляры выпускаются с ключом или кодовым замком.

Для украшений. Это изделия с выдвижными ящиками, предназначенные для хранения ювелирных украшений. Как правило, здесь имеет место продуманная система различных отсеков. Есть специальные отделения для колец, цепочек и других украшений. Часто внутренняя часть отделывается мягким бархатом или велюром. Ткань предохраняет предметы от царапин и прочих повреждений. Шкатулки для украшений могут имеют вид мини-комода, в котором отсеки располагаются в несколько этажей. Некоторые модели имеют ручку и напоминают небольшой чемоданчик.

Для часов. Дорогие наручные часы не стоит просто класть на полку. Желательно приобрести для них специальную шкатулку. Она может быть обычной (предохраняющей изделие от пыли и механических повреждений) или иметь функцию подзавода. Последняя разновидность предназначается для механических моделей. Такие шкатулки оснащаются специальным механизмом, который автоматически производит завод аксессуара.

Виды необычных шкатулок по форме и функционалу (Рисунок 1.2.2 Приложения):

Трансформеры. Это не обычная коробочка или мини-комод, а уникальная сложная конструкция. Емкость преображается, открываясь в различных направлениях (вверх и в разные стороны). Это позволяет вместить в компактный и аккуратный бокс приличное количество мелких вещиц.

Шкатулки-головоломки. Himitsu-Bako – это японские коробочки с секретом. Каждое изделие состоит из нескольких частей (из разных пород древесины). Замка здесь нет. Однако, чтобы открыть бокс, необходимо совершить несколько последовательных действий. Некоторые детали нужно сдвинуть в определенном направлении, на другие нужно нажать. Для каждого изделия придумывается свой секрет, который нужно разгадать. Самые простые экземпляры открываются после 4-10 манипуляций. Самые сложные требуют совершения более сотни движений. Верхняя часть большинства таких шкатулок представляет собой пеструю деревянную мозаику.

Музыкальные. Такие шкатулки были очень популярны в прошлом. Однако и сегодня они многих покоряют сочетанием изысканного дизайна и нежной музыки. Некоторые модели заводятся вручную. Другие начинают играть автоматически, когда открывается крышка. Изделия часто снабжаются фигурками балерин, принцесс, лебедей или влюбленных пар, которые кружатся под звучащую мелодию.

Для создания шкатулок используется самое разное сырье: дерево, МДФ, фанера, пластик, металл, керамика, фарфор, хрусталь, камень, стекло, зеркало, кожа.

Глава 2. Создание модели механической шкатулки из LEGO

2.1 Задачи конструирования

Мы решили создать шкатулку из LEGO. Перед началом сборки мы сформулировали ряд конструкторских задач:

• создать несколько отсеков с подвижными крышками/дверцами;

• использовать разные сложные механические передачи для приведения в движение крышек/дверцей;

• в качестве источника энергии для движения элементов шкатулки использовать один мотор.

• расположить все отсеки шкатулки на одной пластине

2.2 Сложные механические передачи модели

Перед началом конструирования мы выбрали необходимые детали и запланировали установить и оценить работоспособность следующих сложных механических передач (Рисунок 2.2.1 Приложения):

• зубчатая передача: повышающая, понижающая, угловая;

• ременная передача;

• червячная передача;

• рычаг и система рычагов;

• осевая передача.

Этапы создания модели механической шкатулки представлены на Рисунке 2.2.2 Приложения.

Вся наша модель механической шкатулки состоит из мотора и 4 отсеков для хранения сокровищ.

Сердце шкатулки - мотор.

Мы расположили в центре нашей модели мотор. Мотор мы взяли из поезда и он имеет 4 ведущих оси. Именно эти оси и приводят в движение подвижные элементы 4 отсеков шкатулки.

Мотором можно управлять только с помощью 2 кнопок: включить/выключить и «вращение вперед/назад». Это серьезно усложняло запуск наших механизмов. Главная трудность - вращение осей происходит с высокой скоростью. Для открытия и закрытия крышек/дверцей шкатулки скорость должна быть значительно меньше и ограничена по времени, чтобы механизмы не сломались. Для решения этой проблемы мы установили понижающие ременные передачи на ведущие оси от мотора (Рисунк 2.2.3 Приложения). Таким образом, мы не только уменьшили скорость, но и дали возможность мотору работать в холостую (проскальзывание ремня), исключая поломки.

Все 4 отсека нашей шкатулки расположены по бокам от мотора. Мы придумали ассоциативные названия каждому отсеку

Отсек-бабочка

Эта часть шкатулки имеет две открывающиеся крышки (Рисунок 2.2.4 Приложения). Сложный механизм включает в себя: понижающую зубчатую передачу, осевые передачи, два рычага.

Отсек домик

Эта часть шкатулки имеет две открывающиеся дверцы (Рисунок 2.2.5 Приложения). Сложный механизм включает в себя: червячную передачу, угловую зубчатую передачу, прямую ременную передачу, перекрестную ременную передачу, осевые передачи, два рычага.

Отсек-рычаги

Эта часть шкатулки имеет одну открывающуюся крышку с фиксацией открывания с помощью системы рычагов на шарнирах (Рисунок 2.2.6 Приложения). Сложный механизм включает в себя: Червячная передача, осевая передача, два рычага, система рычагов.

Отсек-зубчики

Эта часть шкатулки имеет две открывающиеся крышки (Рисунок 2.2.7 Приложения). Сложный механизм включает в себя: зубчатая передача, угловая зубчатая передача, осевая передача, рычаг.

2.3 Запуск модели механической шкатулки

Итоговый вид модели проекта представлен на Рисунке 2.3.1 Приложения.

Мы провели 10 экспериментальных запусков модели Механической шкатулки с целью оценить работоспособность механизмов по следующим критериям:

• была ли поломка;

• какая скорость открытия/закрытия;

• сработал ли механизм или не сработал.

По нашим наблюдениям мы записали результат в Таблице 2.3.1

Таблица 2.3.1 Оценка работоспособности модели механической шкатулки в результате 10 запусков

В результате экспериментов мы сделали вывод, что самый стабильный механизм в модели – червячная передача. Он обеспечил 100%-е открытие отсека-рычаги при самой медленной скорости и не было поломок. Однако при совместном использовании этого механизма с другими механизмами (ременными передачами и угловой зубчатой передаче) дало отрицательный результат. Поломки были в разных частях механизма и отсек-домик практически не сработал 2 из 10 открытия. Успешной работой можно назвать передачу движения в отсеке-бабочка: одна поломка и 9 успешных запусков из 10. Успешность была обеспечена понижающей зубчатой передачей и двумя небольшими рычагами, которые поднимают 2 крышки, то есть нагрузка была разделена на 2 части. Подобный механизм был использован в отсеке-зубчики. Однако зубчатая передача была прямой без понижения скорости и рычаг был один длинный, который поднимал одну большую крышку с очень большой скоростью. Успешность этого отсека равна 50%, то есть в половине запусков рычаг справлялся с нагрузкой, а в половине- нет.

После отладки механизмов мы усовершенствовали модель – украсили дополнительным материалом (Рисунок 2.3.2 Приложения). На дно отсеков мы положили яркую ткань, отсеки наполнили нашими сокровищами: бусами, серьгами, резиночками, талисманами, фигурками из бисера.

Мы продемонстрировали наш результат друзьям и родным (Рисунок 3.2.3 Приложения). Нам очень нравится наша модель механической шкатулки и всем тоже понравилась. А главное, все механизмы нами успешно изучены в ходе множества экспериментов и усовершенствований! Мы смогли ответить на все вопросы.

Заключение

В нашей исследовательской работе мы познакомились с различными видами шкатулок, узнали о потайных механизмах и других особенностях исторических и современных шкатулок.

Мы сконструировали на базе домашнего LEGO модель механической шкатулки. Познакомились с теоретической информацией о сложных механических передачах и сконструировали эти передачи в разных отсеках нашей модели. Провели множество экспериментов по запуску и отладке модели. В результате сделали вывод о работоспособности выбранных сложных механизмов. Наиболее успешными были механизмы, понижающие скорость- понижающая зубчатая передача и червячная передача. Также облегчало открытие отсеков шкатулки использование рычагов меньших размеров и системы рычагов.

В процессе демонстрации модели гипотеза была доказана: при запуске от одного мотора 4 разных сложных механических передач на открытие 4 отсеков механической шкатулки скорость и качество открытия каждого отсека разные. Скорость мы оценили для каждого отсека по 4 уровням: очень медленная, медленная, быстрая, очень быстрая. Качество открытия/закрытия отсеков мы оценили по двум критериям: была ли поломка и сработал механизм или нет. Результат у всех отсеков разный.

Наша работа может быть использована на уроках робототехники при изучении простых и сложных механических передач и внеклассных мероприятиях.

Список используемой литературы:

1. Йошохито Йocoгава, Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. О.В.Обручева]. – Москва, Издательство «Э», 2017. - 232 с.;

2. Курс «Лаборатория первороботов», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни», - Режим доступа - Мистер Брейни ┃Школа интеллектуального развития (vk.com);

3. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука, 2013. 319с.;

Интернет-источники:

4. https://www.monetnik.ru/obuchenie/antikvariat/shkatulka-s-sekretom/

5. https://eggs.zhukovich.ru/faberzhe/faberzhe.php?egg=Rotshildovskoe

6. https://www.culture.ru/materials/255462/5-starinnykh-muzykalnykh-ustroistv-iz-sobranii-rossiiskikh-muzeev

7. https://stroy-podskazka.ru/shkatulki/raznovidnosti/

Приложение

Рисунок 1.1.1 Самые знаменитые российские шкатулки – Яйца Шлюмберже

Рисунок 1.1.2 Шкатулка с потайным ящичком «Царь-пушка»

Рисунок 1.1.3 Музыкальная шкатулка, изготовленная в 1908 году в Швейцарии

универсальные для документов для украшений для часов Рисунок 1.2.1 Виды шкатулок по назначению

шкатулки-трансформеры шктаулки-головоломки музыкальные шкатулки Рисунок 1.2.2 Виды необычных шкатулок по форме и функционалу

Ременная передача Рычаг Зубчатая передача: повышаяющая, понижающая, угловая Осевая передача Червячная передача Рисунок 2.2.1 Сложные механические передачи для использования в модели механической шкатулки

Рисунок 2.2.2 Этапы создания модели Механической шкатулки

Рисунок 2.2.3 Сердце модели – мотор.

Рисунок 2.2.4 Отсек-бабочка

Рисунок 2.2.5 Отсек-домик

Рисунок 2.2.6 Отсек-рычаги

Рисунок 2.2.7 Отсек-зубчики

Рисунок 2.3.1 Итоговый вид модели Механической шкатулки

Рисунок 2.3.2 Оформление модели Механической шкатулки

Рисунок 2.3.3 Запуск модели Механической шкатулки