XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Трудно представить себе мир XXI века без «умных» машин. Они проникли всюду: от заводских цехов и медицины до космических технологий. Мы уже не можем обойтись без механизмов, которые известны под термином

«робот». Лично мне интересно создавать роботов своими руками. А еще я люблю проводить разные эксперименты по физике и химии. Мне интересны эти науки. Но моя мама говорит, что некоторые опыты могут быть для меня опасны. Я могу получить травму или ожоги. А так как мои родители большую часть времени находятся на работе, а я остаюсь дома один, то помочь мне они не могут. Поэтому я решил создать помощника для безопасного проведения экспериментов. Хочу представить вам работу, которая называется «Первые шаги в большую науку».

Цель: используя LEGO - конструктор собрать действующую модель лабораторного робота для проведения экспериментов.

Для решения поставленной цели были определены следующие задачи:

1. найти и изучить литературу по данной теме;

2. рассмотреть основные части и принцип действия определенных технических устройств;

3. ознакомится с инструкциями из набора LEGO;

4. провести сборку и испытание моделей в школьной лаборатории.

В процессе работы я использовал следующие методы исследования:

1. теоретический (поиск информации, анализ);

2. эмпирический (проведение опытов, испытание модели);

3. математический (моделирование).

Выводы:

1. я научился понимать инструкции и схемы разной сложности;

2. имея определенные теоретические знания и навыки конструирования можно самостоятельно собрать действующие модели технических устройств;

3. легоконструирование - это не просто игра, а серьезное занятие, позволяющее познать окружающий мир;

4. мне очень понравилось создавать модели, изучать их работу и проводить эксперименты. Это занятие переросло в увлечение.

Основное содержание Глава 1. Теоретическая часть

В 1920 году чешский писатель Карел Чапек написал пьесу об искусственных механических людях. Ему предложили назвать их лаборами (от латинского слова «работа»). Писателю это слово не понравилось, и он назвал людей «роботами», от слова «robota», что буквально означает

«принудительный труд». А теперь слово «робот» прочно вошло в современную речь и нашу жизнь. Что же такое робот? Робот - автоматическое устройство, созданное по принципу живого организма. Действуя по заранее заложенной программе и получая информацию о внешнем мире от датчиков (аналогов органов чувств живых организмов), робот самостоятельно осуществляет различные операции, выполняемые человеком. При этом робот может иметь связь с оператором (получать от него команды), так и действовать автономно. Чаще всего роботы делают тяжелую работу, монотонно трудятся на производстве. Также они решают задачи, которые сложны и опасны для людей [1]. Например, в лабораториях химической промышленности проводят исследование и тестирование новых материалов преимущественно вручную. А если использовать «робота- химика»? Тогда можно не только автономно выполнять функции лаборанта: откручивать крышки, добавлять реагенты, перемешивать растворы и перемещать пробирки, но и помогать в сборе экспериментальных данных. Проведение экспериментов без участия людей, без остановки на перерывы и выходные позволит ускорить все процессы и решить большее количество важных задач. Это открывает новые возможности для экспериментов в сфере химической промышленности и не только [2].

В промышленности, в медицине, в хозяйственной деятельности часто возникает необходимость обрабатывать или перемещать объекты, представляющие опасность для людей. Для этого используют специальные захваты или пневматические руки. Другими словами - манипулятор. Манипулятор (manipulare) в переводе с латинского языка означает руководить, управлять с помощью рук или механизм для управления положением предметов. Преимущества пневматических захватов следующие:

1. имеют малую монтажную высоту, что позволяет оптимально использовать пространство машины;

2. захват регулируется бесступенчато с помощью управляющего блока, что гарантирует надежный зажим материалов и образцов;

3. являются альтернативой гидравлическим захватом с меньшими затратами;

4. использование большого спектра зажимных губок.

Манипулятор «Рука» - это сложный механизм, в нем три контура, в каждом из которых установлен цилиндр и пневмопереключатель. Один контур ответственен за поворот манипулятора, другой – за его подъём и опускание, а третий – за открывание и закрывание захвата. Манипулятор — механизм для управления объектами, которые находятся в пространстве. Манипулятор

«Рука» применяется для перемещения различных грузов, поэтому так популярен в современном обществе. Основу манипуляторов составляют пространственные механизмы со многими степенями свободы. Манипуляторы выполняют работы там, где это не может выполнить человек (подводные глубины, вакуум, радиоактивная среда и другие агрессивные среды), вспомогательные работы в промышленном производстве [3].

Подведем итоги по теоретической части. Роботы – это помощники человека, которые выполняют работу по заранее заложенной в них программе и могут реагировать на то, что их окружает. С момента своего появления роботы изменились от очень простых механизмов до сложных устройств, во многом превзойдя по своим возможностям человека [1].

Глава 2. Практическая часть

Для практического ознакомления с конструкцией и принципами работы роботов мы приняли решение создать модель Lego-робота для перемешивания химических веществ. Lego-робот помогает понять основы робототехники, наглядно реализовать сложные алгоритмы, рассмотреть вопросы, связанные с автоматизацией различных процессов. В качестве платформы для создания робота мы использовали конструктор LegoWeDo

2.0. Для создания программы, по которой будет действовать модель, используется специальный графический язык программирования. Программируемый блок – это мозг и голос робота WeDo 2.0, он же интеллектуальный блок и сердце системы. Служит центром управления и энергетической станцией робота.

Модель «робота – помощника» готова! (Приложение№1) Теперь можно приступить к его испытанию. В условиях школьной лаборатории были проведены несколько интересных экспериментов по физике и химии. При выполнении работ мы соблюдали меры безопасности. Обращались с химическими веществами аккуратно, использовали средства индивидуальной защиты – лабораторные очки и перчатки.

Предлагаю вашему вниманию инструкции и советы по выполнению несложных, но познавательных экспериментов. Это мои первые шаги в большую науку!

Опыты и эксперименты с жидкостями. Процесс проникновения молекул одной жидкости между молекулами другой называется диффузия. Именно благодаря диффузии возможно смешивание окрашенных в различные цвета жидкостей до однородного состояния.

Материалы и оборудование: прозрачные емкости; красители (можно использовать обычную акварель или пищевые красители); растительное масло; сахар. Все эти вещества я смешивал с помощью робота. Было интересно наблюдать за этим процессом.

Результат: все вещества перемешались, произошла диффузия в жидкостях.

Вывод: молекулы движутся хаотично и между ними есть расстояние.

Предлагаю вам сделать «Шипучую бомбочку». Это совсем не сложно. Нам понадобятся: лимонная кислота; пищевая сода; растительное масло (подойдет оливковое или подсолнечное); чашка для смешивания ингредиентов; любая небольшая формочка (можно использовать стаканчик); пищевые красители и ароматизаторы (по желанию). Порядок выполнения: 1.Положи в чашку 4 столовые ложки соды и 2 столовые ложки лимонной кислоты. Тщательно перемешай.

2. Добавь в эту смесь чайную ложку растительного масла. «Бомбочки» можно делать с самыми разными добавками. Можно добавить морскую соль, эфирные масла, ароматизаторы и даже специи. Если будете использовать красители или ароматизаторы, добавьте их по нескольку капель. Перемешайте смесь до однородного состояния.

3. Возьмите приготовленную формочку, наполните ее полученной смесью и оставьте сохнуть на несколько дней. Для ускорения процесса можно положить формочку на батарею или на солнце.

4. Достаньте готовую «бомбочку» из формы. Теперь смело бросайте

«бомбочку» в ванну с водой и смотрите на реакцию. Можно купаться! Результат: бомбочка при попадании в ванну начнет шипеть и растворяться. Выводы: лимонная кислота и сода, смешиваясь, начинают взаимодействовать друг с другом, выделяя углекислый газ. «Бомбочка» шипит и смешивает ингредиенты, которые в нее добавили [4].

Еще один интересный опыт. Я назвал его «Мячик – попрыгунчик». Для его проведения нам понадобиться жидкое стекло или силикатный клей, который продается в любом хозяйственном магазине и ацетон. Берем две части силикатного клея и одну часть ацетона. Потом перемешиваем эти вещества с помощью робота - миксера. У нас получается гель обладающий свойствами Хендгама. Хендгам - мягкая приятная на ощупь пластилиновая масса. В отличие от привычного пластилина не липнет к рукам, не пачкается и легко отклеивается от поверхностей, не оставляя следов. Формируем из него шарик, который легко отскакивает от поверхности. А еще это мячик – попрыгунчик можно назвать «антистресс - игрушка» или кистевой «спорт- эспандер». Если его оставить на горизонтальной поверхности, то он изменит свою форму, вытянется [5].

Для безопасности во время проведения экспериментов я использовал руку - манипулятор. С его помощью можно перемещать необходимое для эксперимента оборудование. Например, колбы, мензурки, стаканчики. Используя манипулятор, я наливал жидкие химические вещества и добавлял твердые. Основные элементы пневматического манипулятора: компрессор, который производит сжатый воздух; резервуар, в котором хранится воздух; клапаны контролируют поток воздуха. С помощью насоса мы накачиваем воздух в баллон. Для того чтобы контролировать давление воздуха в баллоне есть манометр. После набора воздуха, мы выпускаем его по патрубкам с помощью трёхпозиционных пневмопереключателей и происходит движение модели[3]. (Приложение № 2)

Выводы и практические рекомендации

Подведем итог проделанной работы. Мои первые шаги в большую науку прошли успешно:

1. я научился понимать инструкции и схемы разной сложности;

2. я узнал много нового из физики и химии;

3. я понял, что легоконструирование - это не просто игра, а серьезное занятие, позволяющее познать окружающий мир;

4. теперь я могу самостоятельно собирать действующие модели технических устройств, так как имею определенные теоретические знания и навыки конструирования;

5. Мне очень понравилось создавать модели, изучать их работу и проводить эксперименты. Это занятие переросло в увлечение.

Заключение

Технический прогресс не стоит на месте. Человек думает, фантазирует и по-прежнему мечтает строить, создавать и познавать. Работая над данным проектом, я смог совершить увлекательное путешествие в мир конструирования. Работая с LEGO - конструктором, я ощущал себя инженером. Я научился ставить перед собой задачи, моделировать, понимать инструкции и схемы разной сложности. А самое главное – воплощать в жизнь смелые идеи, чувствуя себя настоящим изобретателем.

Электронные ресурсы:

1. Режим доступа: https://multiurok.ru/files/nauchno-issliedovatiel-skaia- rabota-roboty-kak-oni.html

2. Режим доступа: https://habr.com/ru/companies/spbifmo/articles/645227/

3. Режим доступа:https://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoe- tvorchestvo/2020/05/05/issledovatelskaya-rabota-fizika-v-lego

4. Режим доступа: https://mel.fm/zhizn/knigi/5013947-4-khimicheskikh- opyta-kotoryye-mozhno-provesti-doma-s-detmi

5. Режим доступа: http://handgum.ru/index.php/properties

Приложение I Модель технического миксера из LegoWeDo

2.0

Приложение II Модель манипулятор – «Рука»